desenvolvimento de um sistema automatizado para o controle...
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GILMAR COELHO
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA
AUTOMATIZADO PARA O CONTROLE DA
VISCOSIDADE DE TINTAS UTILIZADAS NA
IMPRESSÃO DE EMBALAGENS FLEXÍVEIS
Florianópolis
2011
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA
GILMAR COELHO
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA
AUTOMATIZADO PARA O CONTROLE DA
VISCOSIDADE DE TINTAS UTILIZADAS NA
IMPRESSÃO DE EMBALAGENS FLEXÍVEIS
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Mecatrônica do Instituto
Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina para a obtenção do Grau de
Mestre em Mecatrônica.
Orientador: Prof. Valdir Noll, Dr.Eng.
Co-orientador: Prof. André Roberto de Sousa,
Dr.Eng.
Florianópolis
2011
C672d Coelho, Gilmar
Desenvolvimento de um sistema automatizado para o controle da
viscosidade de tintas utilizadas na impressão de embalagens flexíveis
[dissertação] / Gilmar Coelho ; orientador Valdir Noll ; coorientador
André Roberto de Sousa. – Florianópolis, SC, 2011.
122 f. : il., tabs.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Programa de Pós-
Graduação em Mecatrônica.
Inclui referências.
1. Tintas de impressão. 2. Automatização - sistema. 2.
Dispositivo – controle de viscosidade. I. Noll, Valdir. II. Sousa,
André Roberto de. III Título.
CDD: 667.5
Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC
Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis
Catalogado por: Augiza Karla Boso CRB 14/1092
Rose Mari Lobo Goulart CRB 14/277
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA
AUTOMATIZADO PARA O CONTROLE DA
VISCOSIDADE DE TINTAS UTILIZADAS NA
IMPRESSÃO DE EMBALAGENS FLEXÍVEIS
GILMAR COELHO
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre
em Mecatrônica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-
Graduação em Mecatrônica.
______________________________________
Prof. Valdir Noll, Dr.Eng.
Orientador
_______________________________________
Prof. Raimundo Ricardo Matos da Cunha, Dr.Eng
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
_________________________________
Prof. Valdir Noll, Dr. Eng.
Presidente
__________________________________
Prof. Silvana Rosa Lisboa de Sá, Ms. Eng.
__________________________________
Prof. Armando Albertazzi Gonçalves Júnior, Dr. Eng.
Dedico esta dissertação a minha esposa,
Denise e aos meus filhos, Felipe e Natan, que
por eles e em função deles foi possível
realizar este mestrado. Dedico, ainda, aos
meus pais que me deram uma base na minha
educação, e até hoje estou buscando o
caminho do conhecimento.
AGRADECIMENTOS
Aos professores do núcleo de mestrado em Mecatrônica do Instituto
Federal de Santa Catarina, em especial a professora Silvana e o
professor André que me proporcionaram uma porta para a volta de meus
estudos em tempos distintos.
Ao responsável pela manutenção da empresa Plasc, Sr. Gilvane da Silva
pelo apoio incondicional ao projeto.
Ao bolsista da Mecatrônica Thiago Japur Paes Barreto pela dedicação e
ajuda no desenvolvimento do trabalho.
Ao professor João Batista Broering por ceder o uso do laboratório
(LAHP) no qual foi montado o protótipo.
Ao meu orientador, professor Valdir Noll, pela orientação e
credibilidade que deu ao projeto e pelos conhecimentos aplicados na
melhoria e construção do protótipo.
O conhecimento amplo e satisfatório sobre
um processo ou um fenômeno somente
existirá quando for possível medi-lo e
expressá-lo por meio de números.
(Lord Kelvin, 1883)
RESUMO
A crescente concorrência no mercado de embalagens flexíveis
motivou as indústrias da área em busca de alternativas que
proporcionam ao produto final um custo menor para a produção e desta
forma agregando valor final às embalagens. A tinta empregada para
impressão das embalagens colabora com um percentual de
aproximadamente 10% no valor final de um produto, e seu controle se
torna importante, pois evita desperdícios.
O tema de mestrado é o desenvolvimento de um dispositivo para
o controle da viscosidade de tinta utilizada nas máquinas de impressão
para filmes flexíveis. O controle da viscosidade da tinta foi realizado
online, ou seja, a viscosidade é analisada na maquina durante a
produção, evitando-se assim um mascaramento das medidas efetuadas,
com um resultado real e confiável para o ajuste do processo. O sistema
de produção foi totalmente automatizado, evitando-se o contato do
operador com a tinta e solventes utilizados no processo.
Com utilização do dispositivo busca-se um impacto positivo no
desenvolvimento da produção das embalagens promovendo a melhoria
das condições de trabalho no cotidiano dos operadores, redução dos
impactos ambientais, e a redução de perdas bem como aumento da
qualidade da impressão de embalagens flexíveis
Palavras chave: automatização, viscosidade, tintas, controle.
ABSTRACT
The growing competition in the flexible packages market,
motivated the industries of the segment, to search for alternatives that
afford the end product a smaller production cast and so adding and value
to the packages. The ink employed in the printing of the packages
contributes to 10% of the end cost, and its control becomes important, as
it avoids waste.
The Masters theme is the development of a device that controls
the viscosity of ink used in flexible films printing machines. The ink
viscosity control was done online, the viscosity is analyzed by the
machine during production, avoiding so a masking effect the
measurements made, with a red and trustworthy result for the adjustment
of the process. The production system was totally automated, avoiding
human contact with the ink and solvents used in the process.
With the use of device, a positive impact in the development of
packaging production is sought for, promoting a better work condition
for the operators routines, reduction of the environmental impact,
reduction of waste as well as quality increase in the printing of flexible
packages.
Keywords: automation, viscosity, inks, control.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Classificação geral dos fluidos. ....................................... 39
Figura 2 - Representação esquemática viscosímetro capilar e de
esfera. ............................................................................................... 41
Figura 3 - Representação esquemática viscosímetro rotacional. ...... 41
Figura 4 - Medidas do copo Zahn. .................................................... 43
Figura 5 – Copo Zahn. ...................................................................... 43
Figura 6 - Gráfico de conversão de tempo em viscosidade do copo
zanh. ................................................................................................. 45
Figura 7 - Especificações técnicas. ................................................... 45
Figura 8 – Representação Gráfica do modelo do processo de
desenvolvimento integrado de produtos - PRODIP. ........................ 47
Figura 9 – Instrumentos utilizados na medição. ............................... 49
Figura 10 - Operador executando a medição manualmente. ............ 49
Figura 11 – Tinta fluindo pelo copo Zhan. ....................................... 50
Figura 12 – Colocação do copo Zhan dentro do reservatório de tinta.
.......................................................................................................... 50
Figura 13 – Operador cronometrando o tempo de escoamento total.50
Figura 14 - Reservatório de tinta. ..................................................... 51
Figura 15 – Controle de qualidade. .................................................. 51
Figura 16 – Espiral do desenvolvimento. ......................................... 52
Figura 17 – Função global: Medir e controlar a viscosidade da tinta.
.......................................................................................................... 58
Figura 18 – Subfunção: Transportar a tinta. ..................................... 58
Figura 19 – Subfunção: Medir a viscosidade. .................................. 59
Figura 20 – Subfunção: Supervisionar a medição da viscosidade. ... 59
Figura 21 – Subfunção: Controlar a viscosidade. ............................. 60
Figura 22 - Concepção 1. .................................................................. 62
Figura 23 - Concepção 2. .................................................................. 63
Figura 24 - Concepção 3. .................................................................. 64
Figura 25 – Esquema hidráulico de transporte de tinta e solvente. .. 68
Figura 26 - Circuito eletro-pneumático. .......................................... 70
Figura 27 – Diagrama de blocos da parte eletro-eletrônica. ............ 71
Figura 28 - Esquema de ligações do circuito eletrônico. ................. 73
Figura 29 – Desenho técnico do dispositivo mecânico. ................... 74
Figura 30 – Imagem do dispositivo mecânico. ................................ 75
Figura 31 - comportamento do controle da viscosidade relativa ..... 76
Figura 32 - Comportamento esperado da viscosidade em função do
tempo de injeção de solvente. .......................................................... 77
Figura 33 - Funcionamento do sistema de medição do tempo de
escoamento. ...................................................................................... 79
Figura 34 – Fluxograma principal. ................................................... 80
Figura 35 – Fluxograma da função “medir.” ................................... 80
Figura 36 - Fluxograma função configuração. ................................. 81
Figura 37 - Fluxograma função comparação e controle................... 82
Figura 38 – Diagrama de blocos do funcionamento do protótipo. ... 85
Figura 39 - Foto protótipo desenvolvido.......................................... 86
Figura 40 - parte interna do painel de controle. ............................... 86
Figura 41 - Foto do Display mostrando informações do processo ... 87
Figura 42 - Foto do Copo Zhan e do receptáculo. ........................... 87
Figura 43 - Curva 1: sensor superior; Curva 2: sensor inferior........ 88
Figura 44 - Inicio e fim do processo de medição. ............................ 88
Figura 45 – Referência em 15±1s. ................................................... 95
Figura 46 – Alteração da referência para 14±1s. ............................. 96
Figura 47 – Referência em 15±1s. ................................................... 97
Figura 48 – Referência em 14±1s. ................................................... 98
Figura 49 – Referência em 14±1s após desligar protótipo. .............. 99
Figura 50 - Referência em 14±0,7. ................................................ 100
Figura 51 - Referência em 14±0,3s. ............................................... 101
Figura 52 – Referência em 14±1s .................................................. 102
Figura 53 – Referência em 14±1s .................................................. 103
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Principais pigmentos utilizados ...................................... 32
Quadro 2 - Principais resinas utilizadas ........................................... 33
Quadro 3 - Principais solventes utilizados ....................................... 34
Quadro 4 - Principais aditivos .......................................................... 35
Quadro 5 - Limite de tolerância aos solventes comumente utilizados
no setor de rotogravura e flexografia. .............................................. 37
Quadro 6 – Necessidades dos clientes .............................................. 53
Quadro 7 – Requisitos dos clientes .................................................. 54
Quadro 8 – Critérios específicos e generalizados para avaliação das
soluções das concepções ................................................................... 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Consumo de tintas e vernizes (2000-2004) ..................... 29
Tabela 2 - Consumo de tintas e vernizes (2005-2009) ..................... 29
Tabela 3 - Faturamentos, empresas e empregos na industrialização
das tintas .......................................................................................... 30
Tabela 4 - Triagem de soluções ....................................................... 66
Tabela 5 – Indicações obtidas .......................................................... 92
Tabela 6 – Valor de referência 15±1s .............................................. 94
Tabela 7 – Valor de referência 14 ±1s ............................................. 95
Tabela 8 – Valor de referência 15±1s .............................................. 97
Tabela 9 - Valor de referência 14±1s ............................................... 98
Tabela 10 - Valor de referência 14±1s após desligar protótipo ....... 98
Tabela 11 – Valor de referência 14±0,7s ......................................... 99
Tabela 12 - Valor de referência 14±0,3s ........................................ 100
Tabela 13 – Valor de referência 14±1s .......................................... 102
Tabela 14 – Valor de referência 14±1s .......................................... 102
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
SHP - Sistemas hidráulicos e pneumáticos.
IFSC - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa
Catarina.
A – Constante dada pelo fabricante do copo de escoamento, zahn.
B – Constante dada pelo fabricante do copo de escoamento, zahn.
D - Diâmetro.
g - Gravidade.
h - Altura.
P – Poise.
l - Distância de tomada de pressão.
Q – Vazão.
- Variação de nível em função do tempo.
t - Tempo.
AT - Área transversal.
V – Viscosidade cinemática.
hf - Altura final.
h0 - Altura inicial.
p – Pressão.
v – Tensão.
vcc - Tensão continua
PC - Peça
UV – Ultravioleta.
∆p - Perda de pressão de um escoamento do tipo Poiseuille.
∆T - Variação de tempo.
µcATMEL® - Micro-contolador 8051 Atmel.
N° - Número.
ρ – Densidade.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................ 25
1.1 OBJETIVOS ............................................................................ 25
1.1.1 Objetivo geral ................................................................................ 26
1.1.2 Objetivos específicos ..................................................................... 26
1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................... 26
2 TINTAS .................................................................................... 28
2.1 O QUE SÃO TINTAS ................................................................... 30
2.1.1 Composições das tintas líquidas ................................................... 31 2.1.1.1 Corantes ou pigmentos ............................................................................. 31 2.1.1.2 Resinas ..................................................................................................... 32 2.1.1.3 Diluentes .................................................................................................. 33 2.1.1.4 Aditivos .................................................................................................... 34 2.2 TOXICIDADE DAS TINTAS ....................................................... 35
2.3 ACERTOS E CONTROLE DA QUALIDADE ............................. 38
2.4 VISCOSIDADE DAS TINTAS ..................................................... 38
2.5 MEDIÇÃO DA VISCOSIDADE .................................................. 39
2.5.1 Copos de escoamento .................................................................... 41
2.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................ 45
3 DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO ................................ 47
3.1. PROJETO INFORMACIONAL ................................................. 48
3.1.1 Pesquisa de mercado ................................................................. 48
3.1.2 Informações sobre o tema de projeto ........................................... 49
3.1.3 Requisitos dos clientes /usuários .................................................. 52
3.1.3.1 Estabelecimento dos requisitos dos clientes .................................... 53
3.1.4 Requisitos do projeto .................................................................... 54
3.1.5 Especificações do projeto ............................................................. 56
3.1.6 Considerações ............................................................................... 57
3.2 PROJETO CONCEITUAL............................................................ 57
3.2.1 Estrutura funcional ...................................................................... 57
3.2.2 Pesquisa por princípios de solução .............................................. 60
3.2.3 Geração de concepções ................................................................ 61
3.2.3.1 Concepção 1 ................................................................................. 61
3.2.3.2 Concepção 2 ................................................................................. 62
3.2.3.3 Concepção 3 ................................................................................. 63
3.2.4 Seleção das concepções ................................................................ 64
3.2.4.1 Triagem das concepções ( método de pugh) ................................. 65
3.2.4.2 Análise da melhor solução ............................................................ 66
3.2.4.3 Considerações finais. .................................................................... 66
3.3 PROJETO PRELIMINAR ............................................................ 67
3.3.1 Módulo hidráulico ....................................................................... 67
3.3.1.1 Bomba de circulação .................................................................... 68
3.3.1.2 Válvulas direcionais...................................................................... 68
3.3.1.3 Filtros ........................................................................................... 69
3.3.1.4 Mangueiras de transporte ............................................................. 69
3.3.1.5 Válvulas de retenção ..................................................................... 69
3.3.1.6 Válvulas reguladoras de fluxo ...................................................... 69
3.3.2 Módulo eletropneumático ............................................................ 70
3.3.2.1 Unidade condicionadora de ar comprimido ................................. 70
3.3.2.2 Válvulas pneumáticas ................................................................... 71
3.3.3 Módulo eletro-eletrônico .............................................................. 71 3.3.3.1 Sensores ópticos ............................................................................ 72
3.3.3.2 Circuito eletrônico de comando e controle ....................................... 73 3.3.4 Módulo mecânico. ........................................................................ 74
3.3.5 Software de controle..................................................................... 75
3.3.5.1 Sistema de Controle Proposto....................................................... 75
3.3.5.2 Software desenvolvido .................................................................. 77
3.3.6 Conclusão ..................................................................................... 83
4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO ......................................... 84
4.1 FUNCIONAMENTO DO PROTÓTIPO ...................................... 84
4.2 REALIZAÇÃO DO PROTÓTIPO ................................................ 85
4.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO .................. 87
4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS. ....................................................... 88
5 TESTES DO PROTÓTIPO E AVALIAÇÃO DE
RESULTADOS ...................................................................................... 90
5.1 TESTES NO PROTÓTIPO CALIBRAÇÃO ................................. 90
5.1.1 Calibração do sistema de medição ............................................... 91
5.2 TESTES COMPORTAMENTO DO PROTÓTIPO ...................... 94
5.2.1 Verificação do controle automático da viscosidade ..................... 94
5.2.2 Verificação do comportamento do protótipo ao ser ligado e
religado. .................................................................................................. 96
5.2.3 Verificação das tolerâncias do protótipo ..................................... 99
5.2.4 Verificação do tempo do controle automático da viscosidade com
variação do fluxo de solvente ................................................................... 101
5.3 CONCLUSÕES. .............................................................................. 103
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ........................................... 105
6.1 ATENDIMENTO AO OBJETIVO GERAL ............................... 105
6.2 ATENDIMENTO DOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................ 105
6.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................... 106
6.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................... 108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................ 109
APÊNDICE 01- ENTREVISTAS. ......................................................... 112
APÊNDICE 02 – CASA DA QUALIDADE. .......................................... 113
APÊNDICE 03- BOMBA DE TINTA. ................................................... 114
APÊNDICE 04 - VÁLVULA DIRECIONAL. ........................................ 115
APÊNDICE 05- UNIDADE CONDICIONADORA DE AR. .................. 115
APÊNDICE 06- VÁLVULA PNEUMÁTICA 3/2 VIAS 24 VCC. ......... 115
APÊNDICE 07 – FONTE ELÉTRICA. .................................................. 116
APÊNDICE 08- PLACA DE CONVERSÃO. ......................................... 116
APÊNDICE 09 – SENSOR: FIBRA ÓPTICA. ....................................... 117
APÊNDICE 10 - SENSOR: AMPLIFICADOR. ..................................... 118
APÊNDICE 11 – SENSOR: CABO........................................................ 119
APÊNDICE 12 - KIT MICROCONTROLADOR 8051. ......................... 120
APÊNDICE 13 – DISPLAY LCD. ......................................................... 120
APÊNDICE 14 - LISTA DE MATERIAIS UTILIZADOS COM OS
CUSTOS. .............................................................................................. 121
APÊNDICE 15 - CERTIFICADO ESTABELECIDO PELO
FABRICANTE. ..................................................................................... 122
25
1 INTRODUÇÃO
As máquinas de rotogravura utilizadas na impressão de embalagens
flexíveis são, na sua maioria, altamente automatizadas. No entanto,
pressupõem que a tinta a ser utilizada virá com viscosidade, cor e
homogeneização adequadas para ser utilizada no processo de impressão.
Para isso um reservatório com tintas e um agitador são adaptados
nas máquinas, mas o controle da qualidade da tinta é feito de maneira
manual, por um operador que recebe parâmetros de qualidade do setor
de tintas e adiciona tinta ou solvente no reservatório. Da análise do
processo de produção observou-se que as condições e as perdas no
processo de controle da viscosidade necessitavam ser melhoradas, pois a
medição e o controle não eram feitos com a velocidade e exatidão
adequados. Atualmente na empresa PLASC®, e pelas informações que
tem-se de outras empresas do setor, o processo de medição e controle da
viscosidade da tinta é executado manualmente. Um operador, com
auxilio de um cronômetro, mede o tempo que a tinta passa (flui) por um
copo especial para medição, e de acordo com as leituras observadas,
adiciona solvente manualmente no reservatório de tinta para corrigir a
viscosidade. Esse procedimento é feito várias vezes até o acerto da
viscosidade dentro de parâmetros pré-definidos. O mesmo acontece com
outros parâmetros de qualidade, como cor e homogeneização.
Para permitir um aumento na rapidez e na qualidade da tinta, este
trabalho visa à completa automação do processo, em tempo real,
buscando o controle da viscosidade da tinta. Estima-se aumentar a
qualidade através de uma dosagem correta de solvente, num tempo
menor, com mais confiabilidade do que o processo manual.
Além disso, e não menos importante, pretende-se retirar o
funcionário do setor que realiza o controle manual, já que essa tarefa é
uma tarefa altamente insalubre ao ser humano, aumentando a qualidade
de vida do trabalhador.
1.1 OBJETIVOS
Devido às dificuldades encontradas durante o processo de
impressão para o controle da viscosidade da tinta, o presente trabalho
tem os seguintes objetivos:
26
1.1.1 Objetivo geral
Desenvolver um sistema automatizado de controle da
viscosidade da tinta aplicado em máquinas de rotogravura de
embalagens flexíveis.
1.1.2 Objetivos específicos
a) Buscar alternativas viáveis economicamente e tecnicamente
para resolver o problema proposto;
b) Propor uma maneira de controlar a viscosidade
automaticamente;
c) Avaliar propostas de solução;
d) Construir um protótipo visando sua utilização;
e) Diminuir a quantidade de produtos químicos utilizados no
controle da qualidade;
f) Retirar o ser humano dessa tarefa manual e alocá-lo em outra
tarefa menos insalubre.
Portanto, com o desenvolvimento do trabalho, procura-se
definir um novo conceito para o controle da viscosidade da tinta hoje
realizada nas empresas do ramo de embalagens flexíveis.
1.2 JUSTIFICATIVA
As indústrias em geral estão a cada dia tornando-se mais
competitivas e a necessidade de uma maior qualidade nos processos de
fabricação está se tornando imprescindível. As indústrias do segmento
de impressão estão se reorganizando buscando alternativas que visam,
além do aumento da qualidade, o aumento da produção com a
diminuição dos custos envolvidos. Uma conseqüência imediata é o
aumento da concorrência e, do outro lado, a ampliação do tamanho do
mercado a desfrutar, ambos contribuindo para o acirramento da
competição entre as empresas.
Com esta reorganização, a incorporação da automação em
processos industriais tem tido um considerável crescimento durante as
últimas décadas, já que são várias as vantagens que a automatização de
processos trazem às indústrias, refletindo principalmente na redução de
custos e no aumento da qualidade do que é desenvolvido. Isto implica
que as empresas devem procurar novas estratégias para permanecer
27 competitivas no mercado, por meio de inovações, redução de custos,
diversidades, novas idéias para a produção de manufatura,
especialmente substituindo sistemas manuais por sistemas
automatizados.
O benefício imediato é conseguir, por meio da automatização
do processo, maior rapidez no processo de controle da viscosidade da
tinta, o que acarretará em tempos menores de setup da máquina,
ganhando em produtividade. Além disso, diminui-se significativamente
a quantidade de solvente adicionado à tinta.
Um outro benefício da automatização, porém de mais longo
prazo, é evitar o contato dos operadores com substâncias nocivas a
saúde. Nesse caso o uso de solventes e tintas agridem fortemente as
mucosas nasais e também o pulmão, trazendo malefícios imediatos,
como mal estar, tontura e dores de cabeça, bem como malefícios
permanentes, dependendo do tempo de exposição a esses elementos.
Obtém-se dessa automatização, portanto, diversos benefícios técnicos,
econômicos, sociais e ambientais.
28
2 TINTAS
A primeira técnica de recobrimento de superfície surgiu há
cerca de 2500 anos quando os povos antigos começaram a pintar seus
corpos, utilizando terras coloridas, graxas ou carvão (CHAFER, 1990).
Desde então a humanidade evoluiu muito, e com ela os materiais,
técnicas e usos para os revestimentos conhecidos como tintas ou
pinturas.
As tintas estão presentes em quase todos os bens que fazem
parte do mundo atual. Conferindo principalmente propriedades estéticas
e protetoras, são encontradas revestindo paredes, móveis,
eletrodomésticos, carros, rótulos de refrigerante, enfim uma vasta gama
de aplicações. Embora o consumidor comum tenha noção do
desempenho que determinada pintura deva ter, ele dificilmente conhece
a tecnologia empregada no desenvolvimento, produção e aplicação
destes materiais.
Entre as ciências envolvidas pode-se citar a química orgânica e
inorgânica, química de polímeros, eletroquímica, química de superfície,
físico-química e química de colóides (FAZENDA, 1993).
Atualmente os principais desafios tecnológicos nessa área estão
relacionados ao desenvolvimento de tintas de menor impacto ambiental
e, ao mesmo tempo, de melhor desempenho a preços competitivos. As
tabelas 1, 2 e 3 mostram um cenário geral do consumo e expectativa de
vendas das tintas no Brasil no setor industrial e pode-se observar que o
consumo no período de dez anos aumentou consideravelmente bem
como seu faturamento. Já em relação ao número de empresas do ramo e
empregos não mudou da mesma forma.
29
Tabela 1 - Consumo de tintas e vernizes (2000-2004)
CONSUMO DE TINTAS E VERNIZES UNIDADES LITROS x
Período Setor
Industrial
2000 2001 2002 2003 2004
Indústria
Automotiva
52087 55982 55463 56705 68349
Indústria em
geral*
186438 193430 197745 200879 212001
Indústria de
tintas para
impressão
83698 74863 67711 63901 78425
Industria
construção civil
742911 766206 803697 787552 832356
Total Geral 1065134 1090481 1124616 1109037 1191131
Fonte: http://www.sitivesp.org.br
Tabela 2 - Consumo de tintas e vernizes (2005-2009)
CONSUMO DE TINTAS E VERNIZES UNIDADES LITROS X
Período Setor
Industrial
2005 2006 2007 2008 2009
Indústria
Automotiva
75030 80878 92674 100680 96486
Indústria em
geral*
218008 227392 240062 247595 231117
Indústria de
tintas para
impressão
85012 88158 93128 98004 90319
Indústria
construção
civil
853690 904930 1084490 1089434 1083607
Total Geral 1231740 1301358 1510354 1535713 1293529
Fonte: http://www.sitivesp.org.br
30
Tabela 3 - Faturamentos, empresas e empregos na industrialização
das tintas
FATURAMENTO EM
USS
N° DE
EMPRESAS
N° DE
EMPREGOS
2000 = 1,82 BILHÃO 2000 = 338 2000 = 17278
2001 = 1,73 BILHÃO 2001 = 352 2001 = 16812
2002 = 1,65 BILHÃO 2002 = 370 2002 = 16303
2003 = 1,53 BILHÃO 2003 = 403 2003 = 15885
2004 = 1,75 BILHÃO 2004 = 399 2004 = 16284
2005 = 2,21 BILHÕES 2005 = 436 2005 = 16600
2006 = 2,44 BILHÕES 2006 = 397 2006 = 16933
2007 = 2,91 BILHÕES 2007 = 447 2007 = 17707
2008 = 3,72 BILHÕES 2008 = 524 2008 = 18326
2009 = 3,53 BILHÕES 2009 = 491 2009 = 17699
Fonte: http://www.sitivesp.org.br
Esses números mostram que o consumo de tinta é bastante
significativo e que vem crescendo ao longo dos anos. Quase todo rótulo
de embalagem, ou a própria embalagem, necessita de tinta. Qualquer
desperdício de tinta ou de solvente trás um forte impacto econômico,
além de impactos ecológicos “(descarte de embalagens no meio
ambiente, emissão de gases tóxicos )”.
2.1 O QUE SÃO TINTAS
Uma tinta, genericamente falando, é composta por pigmentos
em uma solução de resina. A resina é o agente formador de filme e
normalmente se encontra dissolvida em um solvente orgânico. Os
pigmentos são partículas coloridas, insolúveis na solução de resina,
responsáveis pelas propriedades de cor e opacidade (WICKS, et al,
1992).
Além do solvente da resina outros solventes são geralmente
adicionados a fim de reduzir a viscosidade da tinta a valores que
facilitem a sua manipulação e utilização. Outros materiais são
adicionados em pequenas quantidades, os aditivos, de modo a conferir características especiais à tinta (LÓPEZ, 1997).
Ao aplicar-se uma tinta na forma de uma película delgada, os
componentes voláteis evaporam, resultando em um revestimento sólido
31 continuo e aderente que é ao mesmo tempo decorativo e protetor
(LÓPEZ, 1997).
Pode-se então definir a tinta como sendo uma substância líquida
(no caso de impressão, flexografia e rotogravura) constituída de um
veiculo fluido e de um corante, que poderá ser orgânico-metálico ou
inorgânico e que ao ser aplicado ao substrato deverá formar, quando
seco, um filme aderente.
2.1.1 Composições das tintas líquidas
As tintas utilizadas na impressão de embalagens flexíveis são
denominadas tintas líquidas
(http://www.fernandocaparroz.kit.net/rotogravura/tintasroto.htm) e são
basicamente constituídas de:
- Corantes ou pigmentos
- Resina
- Diluentes
A proporção dos componentes varia conforme o
comportamento reológico da tinta e as propriedades físicas e químicas
do filme da tinta. A escolha dos componentes depende das
características e aplicação final do impresso (CARMO. Edson R, 2009).
2.1.1.1 Corantes ou pigmentos
Os corantes são substâncias coloridas de origem química
solúvel (e não dispersáveis) no verniz em que são utilizados. Os
pigmentos são compostos de origem orgânica ou mineral de formulação
complexa. Sua intensidade, opacidade, resistência a intempéries ou a
agentes químicos variam em função da sua natureza. No estado seco
apresentam-se sob a forma de pó ou aglomerados que precisam ser
finamente moídos num verniz para promover sua dispersão visto que
são insolúveis nesse verniz.
De modo geral, a resistência dos pigmentos a intempéries aos
agentes químicos são superiores aos dos corantes. Conforme os
resultados desejados, e por razões de custo costuma-se usar dois ou mais
pigmentos combinados. O quadro 1 mostra os principais pigmentos utilizados.
32
Quadro 1 - Principais pigmentos utilizados
Principais pigmentos utilizados em tintas para Rotogravura
Orgânicos Amarelo Hansa
Vermelho Toluidina
Azul Ftalocianina
Inorgânicos Amarelo de Cromo
Azul de Prússia
Dióxido de Titânio
Fonte: http://www.fernandocaparroz.kit.net/rotogravura/tintasroto.htm
2.1.1.2 Resinas
São matérias-primas naturais ou sintéticas que dissolvidas em
solventes, compõe os vernizes.
Os vernizes têm por função transportar os pigmentos ou corante
ao substrato (embalagem) e após a evaporação do solvente formar um
filme que fixe a substância colorida, assegurando as propriedades
necessárias ao impresso.
De acordo com o substrato e as condições impostas do trabalho
é necessário o uso de duas ou mais resinas combinando suas
propriedades (CHAFER, 1990).
Os requisitos gerais de uma resina devem ser compatíveis com
o sistema de impressão. A resina deve ser formadora do filme, pura,
amorfa, sem odor, sem cor, transparente e solúvel nos solventes da tinta.
E deve também envolver o pigmento para garantir uma boa dispersão e
estabilidade. O quadro 2 apresenta as principais resinas utilizadas.
33
Quadro 2 - Principais resinas utilizadas
Principais resinas utilizadas em tintas para Rotogravura
Naturais Breu
Goma Arábica
Copal
Sintéticas Resinatos
Alquídicas
Celulósicas (nitro celulósico)
Poliamidas
Ester de Breu
Vinílicas
Acrílicas
Maléicas
Borrachas clonadas
Fonte: http://www.fernandocaparroz.kit.net/rotogravura/tintasroto.htm
2.1.1.3 Diluentes
Os diluentes ou solventes são líquido voláteis, orgânicos,
capazes de dissolver o veículo fixo das tintas e vernizes, cujos principais
funções são: facilitar a formulação, conferir a viscosidade adequada para
a aplicação da tinta e contribuir para o nivelamento e secagem (Revista
gráfica - http://abtg.org.br ).
Sua principal tarefa consiste em tornar a resina fluida de modo a
poder entrar e sair nos alvéolos do cilindro impressor carregando a
resina e permitindo que esta possa agarrar-se ao substrato. Após
alcançar o substrato é desejável que o solvente seja eliminado o mais
rápido possível de modo que a tinta possa rapidamente passar ao estado
sólido. Eles devem ser praticamente ausentes no produto acabado, mas
desempenham um papel extremamente importante em todos os estágios
anteriores a impressão. O quadro 3 apresenta os principais tipos de
solventes utilizados.
34
Quadro 3 - Principais solventes utilizados
Principais solventes utilizadas em tintas para Rotogravura
Alcoóis Etílico
Metílico
Isopropílico
Butílico
Hidrocarbonetos Aromáticos Benzeno
Tolueno
Xileno
Hidrocarbonetos alifáticos Hexano
Heptano
Cetonas Acetona
Metiletilcetona
Diluentes Clorados Tricloroetileno
Cloreto de Metileno
Fonte: http://www.fernandocaparroz.kit.net/rotogravura/tintasroto.htm
2.1.1.4 Aditivos
São compostos selecionados incorporados às tintas para
eliminar ou introduzir propriedades especificas tais como:
- melhorias na dispersão;
- estabilização;
- deslize;
- anti-decalque.
O quadro 4 apresenta os principais aditivos utilizados.
35
Quadro 4 - Principais aditivos
Principais aditivos utilizadas em tintas para Rotogravura
Plastificantes
(Cargas)
Parafinas cloradas
Poli ésteres
Óleo de Mamona
Resinas Alquídicas
Dispersantes
(aditivos)
Lecetina de Sódio
Naftenato de Zinco
Anti-Espumantes
(aditivos)
Tintas a base de água
Resinas acrílicas
Diversos
(aditivos)
Alastrantes
Deslizantes
Fungistáticos
Espessantes. Etc.
Fonte: http://www.fernandocaparroz.kit.net/rotogravura/tintasroto.htm
2.2 TOXICIDADE DAS TINTAS
A aspiração ou absorção da pele por estes produtos (tintas e
solventes) podem proporcionar problemas a saúde humana, pois é muito
comum o contato direto das mãos ao diluir o solvente na tinta. Além
disso ocorre a aspiração quando da medição da viscosidade, visto que o
ambiente esta totalmente contaminado pelo solvente. Em geral os
operadores não usam protótipos de proteção individual (E.P.I) como
luvas e máscaras com filtro, por ser incômodo, e as empresas da área
também não cobram o uso dos mesmos. Geralmente as pessoas mais
afetadas com estes problemas são os coloristas que são os responsáveis
pela fabricação da tinta e os operadores de impressão, que são os
responsáveis pela medição durante o processo. Estes dois grupos ficam
em contato por até oito horas diárias.
Segundo FOSTER (et al, 1994) "Os componentes básicos da
tintas são resinas, corantes e solventes. Dentre os três componentes o
solvente é o que apresenta a maior concentração de toxidade. Na indústria os solventes mais utilizados para diluição de tintas e
procedimentos de limpeza são, em sua maioria, compostos derivados do
petróleo, como o tolueno, xilenos, acetato de etila, acetona, álcool
butílico, álcool isopropílico, etc".
36
Uma pesquisa realizada pela Gerência de Segurança e Saúde no
Trabalho (GSST) avaliou as empresa do ramo gráfico, em relação às
questões de segurança e saúde no trabalho (SESI, 2006) e segundo o
Manual da indústria gráfica SESI (2006) diz que: “Nesse trabalho foi
avaliada a concentração de solventes orgânicos em algumas empresas do
ramo gráfico, através de coleta amostras de ar que foram analisadas pela
técnica de cromatografia com base em metodologias NIOSH (National
Institute of Ocupational Safety and Health) para solventes orgânicos. Os
resultados foram comparados com os limites de tolerância (LT)
estabelecidos pela NR 15 e pela American Conference of Industrial
Hygienists (ACGIH). O processo de impressão rotográfica foi avaliado
em várias empresas. Os resultados da análise de amostra de ar coletado
no setor de rotogravura foram de aproxidamemente 429 ppm de tolueno,
de 276 ppm de acetato de etila e 436 ppm de álcool isopropílico".
Segundo MORAES E DOMINGUES (2007), fica claro os
perigos à saúde humana que a manipulação de solventes produz:
"Solventes, estopas, trapos e embalagens contendo restos de
solventes quando lançados indiscriminadamente no meio
ambiente, podem causar problemas de contaminação
ambiental no solo e nas águas, tanto superficiais como
subterrâneas e problemas ordem ocupacional, pela aspiração
de componentes orgânicos voláteis e por sua absorção
cutânea. Em geral, os solventes são incorporados à corrente
sangüínea e distribuídos pelos tecidos gordurosos do corpo,
incluindo o cérebro, medula óssea, fígado, rins e sistema
nervoso. Dependendo da concentração e do tempo de
exposição, podem provocar desde uma leve sonolência até
danos ao fígado, rins, pulmões, causando, inclusive, danos ao
sistema nervoso central e até a morte, quando em dosagens
muito elevadas (FORSTER et al, 1994). A toxidade,
inflamabilidade e os limites permitidos para a exposição de
um trabalhador para um determinado solvente são também
aspectos fundamentais e que são sujeitos a grande pressão
pelos órgãos reguladores destas questões e da própria
sociedade."
Segundo MORAES E DOMINGUES (2007), os trabalhadores
na área de rotogravura sofrem muito com a exposição aos solventes em
geral, prejudicando sua saúde consideravelmente.
37 O SESI apresenta um quadro de tempo limite de exposição ao
solvente, através do Manual da Industria Gráfica (2006), que
comparando-se com a pesquisa do GSST, mostra o quanto os solventes
e tintas são elementos altamente perigosos a saúde quando não
controlados. O quadro 5 apresenta os limites de tolerância aos solventes
na indústria gráfica.
Quadro 5 - Limite de tolerância aos solventes comumente utilizados
no setor de rotogravura e flexografia.
Agentes químicos Limite de tolerância até
48 horas/semana (ppm)
Acetato de etila 310
Acetona 780
Metil etil cetona 155
N-hexano 50
Tolueno 78
Xilenos 78
Álcool isopropilico 310
Fonte: SESI, 2006.
Notas: Dados extraídos da NR-15 e da ACGIH
A questão ecológica é também um fator importante, e muitas
vezes significa a sobrevivência da própria indústria, pois em países
onde há um legislação ambiental mais forte exige-se um tratamento
diferenciado da tinta e solventes. O cumprimento da norma ISO-14.000
(que trata da gerência do meio-ambiente) já é uma exigência importante
para diversas empresas. Exige-se um melhor aproveitamento da matéria
prima, especialmente a tóxica, para evitar desperdícios e danos maiores
à natureza.
Portanto, as empresas devem ter um cuidado especial com a
manipulação de tintas e solventes. Em média o trabalhador da indústria
de impressão de embalagens permanece 8 horas por dia em contato com
produtos tóxicos, realizando a aferição manual da viscosidade da tinta,
corrigindo-o por adição de solvente. Se for realizada a automatização
desse processo, fica garantida a qualidade de vida do trabalhador,
podendo o mesmo ser alocado em função de supervisão e controle, que
são áreas menos prejudiciais à saúde.
38
2.3 ACERTOS E CONTROLE DA QUALIDADE
O controle de qualidade das tintas pode compreender desde
testes simples como o aspecto na embalagem, até testes complexos,
como as de avaliação do uso final do produto, impactando diretamente
no tempo de ciclo de produção.
Na grande maioria dos casos, os principais parâmetros
controlados são cor, brilho e viscosidade. Assim, a indústria de tinta
tradicional trabalha com um estágio de ajustes, associado aos testes de
liberação.
O acerto da cor é feito normalmente comparando a cor do lote
com a de um padrão, e adicionando-se concentrados de pigmento em
combinações e teores adequados de modo a aproximar a cor do lote ao
padrão.
O acerto do brilho, que não é tão freqüente, consiste na adição
de resina ou fosqueador, de modo a aumentar ou diminuir o brilho,
respectivamente.
O acerto da viscosidade é feito através da adição de solvente ou
tinta dependendo se a viscosidade está respectivamente acima ou abaixo
da faixa especificada.
2.4 VISCOSIDADE DAS TINTAS
A viscosidade é a resistência de um fluido ao escoamento,
definida como a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de
cisalhamento. No caso de líquidos ideais, também chamados de
newtonianos, esta razão é constante, isto é, a viscosidade é independente
da taxa ou da tensão de cisalhamento. É o caso de líquidos compostos
por moléculas pequenas miscíveis, soluções de resinas em solventes
verdadeiros e dispersões em partículas rígidas em um fluido
newtoniano, desde que não haja interações partícula-partícula (WICK´S,
1992).
Outros fluídos apresentam comportamentos distintos, dependem
da taxa ou da tensão de cisalhamento. São os chamados fluidos não-
newtonianos, que podem ser pseudoplásticos, quando a viscosidade
diminui com o aumento do cisalhamento, ou dilatantes quando a
viscosidade aumenta. Há ainda outro tipo de sistema dentro dos fluidos
pseudoplásticos, chamados tixotrópicos, onde o escoamento é
dependente do tempo e do histórico anterior de cisalhamento (WICK´S,
1992; SCHOFF, 1976).
39 O estudo da viscosidade está inserido dentro da ciência
chamada reologia, que avalia a deformação e o escoamento dos fluidos.
Em condições de baixo cisalhamento, entretanto, a presença de aditivos
especiais (aditivos reológicos) é que determina as propriedades
reológicas da tinta (HARE, 1991; SCHOFF, 1976). No sistema
internacional a unidade de viscosidade é pascal-segundo ( ), apesar
disto esta unidade é pouco utilizada. Existe uma enormidade de
unidades de engenharia que comumente são utilizadas e uma delas é o
poise (P) em homenagem ao fisiologista francês Jean Louis Poiseuille
(1799-1869).
A Figura 1 mostra um panorama geral da classificação dos
fluidos.
Figura 1 - Classificação geral dos fluidos.
Fonte: http://www.setor.1.com.br/analises_reologia_cla_ssi.htm
2.5 MEDIÇÃO DA VISCOSIDADE
Os viscosímetros mais utilizados para a medição da viscosidade
são:
a) Viscosímetro capilar: a viscosidade é medida pela velocidade de
escoamento do líquido através de um tubo capilar de vidro. Mede-se o
tempo de escoamento do líquido entre duas marcas feitas no
viscosímetro. A Figura 2 amostra uma representação esquemática desse
viscosímetro.
40
b) Viscosímetro de esfera: a viscosidade é medida pela velocidade de
queda de uma esfera dentro de um líquido colocado em um tubo vertical
de vidro. É medido o tempo que uma esfera gasta para percorrer o
espaço entre duas marcas feitas no viscosímetro. A Figura 2 amostra
também uma representação esquemática desse viscosímetro.
c) Viscosímetro rotacional: a viscosidade é medida pela velocidade
angular de uma parte móvel separada de uma parte fixa pelo líquido. A
parte fixa é em geral a parede do próprio recipiente cilíndrico e a parte
móvel pode ser no formato de palhetas ou um cilindro. A Figura 3
amostra representação esquemática desse viscosímetro.
d) Viscosímetro de orifício: a viscosidade é medida pelo tempo que um
volume fixo de líquido leva para escoar através de um orifício existente
no fundo de um recipiente.
A escolha do tipo a ser utilizado depende do propósito da
medida e do tipo de líquido a ser investigado. O viscosímetro capilar
não é adequado para líquidos não-newtonianos, pois não permite variar
a tensão de cisalhamento, mas é bom para líquidos newtonianos de
baixa viscosidade. O viscosímetro rotacional é o mais indicado para
estudar líquidos não-newtonianos. O viscosímetro de orifício é indicado
onde se exige rapidez, simplicidade e facilidade de operação, coisas que
são mais importantes que a exatidão na medida. Esse viscosímetro é
usado em fábricas de tintas, adesivos e óleos lubrificantes. O
viscosímetro de esfera não é adequado para medições em linha na
máquina, pois o fluido precisa ser transparente e utiliza um volume
muito grande de fluido. (Fonte:
http://www.qmc.ufsc.br/~minatti/experiencia2_reologia_fluidos.pdf).
41
Figura 2 - Representação esquemática viscosímetro capilar e de esfera.
Fonte: apostila EM 847-laboratório de calor e energia UNICAMP
Figura 3 - Representação esquemática viscosímetro rotacional.
Fonte: apostila EM 847-laboratório de calor e energia UNICAMP
2.5.1 Copos de escoamento
São viscosímetros de orifício, e a medição é obtida enchendo o
copo até a borda superior e conta-se o tempo para esvaziar o mesmo
através de um furo existente no copo. Para muitas aplicações não é
necessário conhecer a viscosidade absoluta de um sistema de impressão.
Um parâmetro que permita uma classificação e uma estimativa relativa
é, muitas vezes, suficiente. O período de influxo, medido em segundos,
por meio de copos de escoamento, tem se mostrado uma medida prática
suficiente para o uso em indústrias de embalagens. A reprodutibilidade
de tais medições depende da:
- Exatidão do volume interno do copo;
- Temperatura;
- Comportamento do influxo do fluido.
capilar esfera
42
O copo de escoamento infere a viscosidade do fluido a partir do
tempo gasto para esvaziar o reservatório (o copo). É um método simples
e rápido e que requer um pequeno volume de amostra de fluido
(BRODKEY, RS, 1967).
Apesar de medir somente a viscosidade de fluido à temperatura
ambiente, ele é bastante adequado para fluidos como tintas e vernizes.
O princípio de funcionamento baseia-se na equação de
Poiseuille, mostrado pela Equação 1. Numa primeira aproximação
pode-se supor um regime de escoamento “quase permanente” durante o
esvaziamento do copo e ainda desprezar qualquer perda de carga no
copo. Assim, somente as perdas no escoamento através do orifício, onde
a velocidade é maior, serão consideradas.
Os efeitos de aceleração ao desenvolvimento do perfil
hidrodinâmico no orifício são desprezados se o diâmetro do orifício for
aproximadamente duas vezes maior que a altura do orifício
( Pode-se afirmar que a diferença de pressão do
escoamento através do orifício (∆P) é dada por ρgh, sendo h a altura do
fluido no copo (o orifício descarrega o fluido na atmosfera). As figuras 4
e 5 mostram um copo com determinadas medidas e os cálculos para
medição da viscosidade. A figura 6 mostra o gráfico de conversão para
cálculo da viscosidade baseado no tempo, fornecido pelo fabricante do
copo e a figura 7 mostra as especificações técnicas em função da
aplicação, o diâmetro do orifício e a faixa de viscosidade a ser medida.
Estes dados são utilizados para especificar o melhor copo para o fim que
se pretende.
(1)
43
Figura 4 - Medidas do copo Zahn.
Fonte: apostila EM 847-laboratório de calor e energia UNICAMP
Figura 5 – Copo Zahn.
Fonte: apostila EM 847-laboratório de calor e energia UNICAMP
Assim, se ∆P é a perda de pressão de um escoamento de Poiseuille tem-
se que:
∆P = ρgh=128µ (2)
Então, se:
Q = AT dh/dt (3)
44
Sendo AT a área transversal do copo e dh/dt a variação do nível
do fluido no copo com o tempo, chega-se à eq. (4):
C.const
4
T
gD
LA128
h
dhdt
(4)
Integrando-se a equação (4) se obtém uma expressão
aproximadamente para a viscosidade cinemática em função do tempo,
dada pela eq. (5):
0f hhlnC
t
(5)
Logo a eq. (5) é uma expressão analítica aproximada que
correlaciona o tempo de esvaziamento do copo com a viscosidade. Os
fabricantes de copos de medição propõem uma linearização da eq. (5)
em função da não idealidade, mostrada na eq. (6), onde t representa o
tempo necessário para esvaziar completamente o copo.
BtA (6)
As constantes A e B são definidas experimentalmente pelo
fabricante e corrigem todas as aproximações da análise teórica tais
como: perdas no escoamento no copo, efeitos da aceleração
desprezados, o fato do copo ser cônico na base, que o intervalo de tempo
é medido para o esgotamento total do copo (até a interrupção do jato
contínuo e surgir à primeira gota no orifício).
A eq. (6) é então, a curva de conversão entre o esvaziamento
total do copo e a viscosidade cinemática do fluido. As constantes
variam, evidentemente, com diferentes orifícios. As figuras 6 e 7
mostram a curva fornecida pelo fabricante do copo Zhan e os dados
técnicos do mesmo, e que são amplamente utilizados nas indústrias de
impressão de embalagens para o ajuste manual da viscosidade.
45
Figura 6 - Gráfico de conversão de tempo em viscosidade do copo zanh.
Fonte: BYK Gardner instrumentos
Figura 7 - Especificações técnicas.
Fonte: BYK Gardner instrumentos
2.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capitulo foram abordados a importância, as características
das tintas bem como os sistemas atuais de medição da viscosidade,
principalmente dos processos que envolvem tintas. Existe certa
46
dificuldade na medição da viscosidade de tintas durante o uso da mesma
por uma máquina de impressão, já que existem poucos sistemas de
controle automatizados, prontos, para serem acoplados a essas máquinas
com o fim de garantir a correta viscosidade da tinta.
No Brasil, especificamente, não se produz protótipos voltados
para esta área específica, com as características necessárias para
máquinas de rotogravura.
47
3 DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO
O projeto do protótipo do sistema de controle da viscosidade de
tintas foi desenvolvido seguindo-se o modelo de referência – PRODIP:
Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos, desenvolvido por
Romano (2003), proposto com base em pesquisas e experiências pelo
NeDIP – Núcleo Integrado de Desenvolvimento de Produtos da
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e adotado como
referência pelo Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do
Instituto Federal de Santa Catarina (IF-SC), mostrado na Figura 8. Nesta
dissertação foi descrita a macro fase “Elaboração do Projeto do
Produto” que contempla as seguintes fases: Projeto Informacional,
Projeto Conceitual, Projeto Preliminar e Projeto Detalhado.
Figura 8 – Representação Gráfica do modelo do processo de
desenvolvimento integrado de produtos - PRODIP.
Fonte: Romano (2003) apud Back, et all, (2008 pg. 70).
48
3.1. PROJETO INFORMACIONAL
As especificações obtidas nesta fase são fundamentais para
avaliação e escolha da concepção final, já que estas avaliam se o
produto atende ou não as necessidades do mercado (PAHL e BEITZ,
1996).
3.1.1 Pesquisa de mercado
No inicio do desenvolvimento do projeto foram feitas pesquisas
de mercado, para verificar as características dos protótipos similares ao
que se pretende desenvolver. Numa pesquisa realizada pela internet,
verificou-se que existem algumas empresas que dominam a tecnologia
de medição da viscosidade, e na sua maioria, são empresas de fora do
mercado nacional, e alguns poucos são representações de empresas de
fora do país. Destacam-se as seguintes empresas, com seus respectivos
sitios:
Inkspec: http://www.inkspec.com/en/index.php
Norcross: http://www.viscosity.com/
Dynatrolusa: http://dynatrolusa.com/viscosity-systems.html
Hydranotion: http://www.hydramotion.com/
Jenton: http://www.viscositycontrol.co.uk/
Shinko: http://www.shinko-
jp.biz/english/contents/product/viscosity.html
Tresu: http://www.tresu.com/index.php?id=415
Viscoflex: http://www.viscoflex.com.br/
Essas empresas não mostram os princípios de medição e
controle utilizados, pois as mesmas não abordam os processos internos.
A empresa Norcross indica que usa um pistão em linha e através deste
consegue-se as medidas e o controle. Já a empresa Jenton e a Tresu
desenvolveram sensores que detectam a viscosidade, porém não indicam
como isso é feito.
No mercado nacional encontrou-se somente uma empresa que produz viscosímetros, chamada de Viscoflex. Pode-se verificar que sua
medição é realizada também através de um pistão que é colocado em
linha nas impressoras, porém sem mostrar como isso é, de fato,
realizado.
49 3.1.2 Informações sobre o tema de projeto
O foco do projeto é automatizar o processo que é realizado
manualmente, evitando contato dos operadores com substancias
insalubres bem como melhorar a rapidez e exatidão no controle do
processo. A figura 9 mostra os instrumentos utilizados no processo atual
e as figuras 10, 11,12 e 13 apresentam o operador executando a medição
manual do processo.
Figura 9 – Instrumentos utilizados na medição.
Figura 10 - Operador executando a medição manualmente.
50
Figura 11 – Tinta fluindo pelo copo Zhan.
Figura 12 – Colocação do copo Zhan dentro do reservatório de tinta.
Figura 13 – Operador cronometrando o tempo de escoamento total.
51 O principal objetivo do produto a ser desenvolvido é executar a
medição da viscosidade, e, a partir dessa informação, conseguir dosar
quantidades de solventes na tinta de forma que a mesma esteja dentro de
padrões pré-estabelecidos, evitando com isso problemas no processo de
impressão. Para verificar a viscosidade manualmente, a tinta é colocada
em reservatórios de 20L, visto na figura 14, e através de bombas
pneumáticas é enviada para a máquina de impressão. Com o impresso, a
pessoa responsável pelo controle de qualidade, avalia brilho,
viscosidade e tonalidade (figura 15). Se não estiver dentro do padrão
(comparação com uma amostra definida) inicia-se o acerto da impressão
e para acertar a viscosidade da tinta adiciona-se solvente até atingir a
qualidade desejada, definindo-se assim, a viscosidade. Em termos de
tempo, geralmente a viscosidade desejada é obtida quando a tinta leva
entre 18 a 22 s para passar no copo Zahn nº2.
Figura 14 - Reservatório de tinta.
Figura 15 – Controle de qualidade.
52
3.1.3 Requisitos dos clientes /usuários
Necessidades são aquelas expressões espontâneas dos usuários
potenciais do produto, ou das distintas categorias de clientes,
relacionadas com o projeto ou com o produto (FONSECA, 2000). Para
identificar os clientes foi feita uma análise do ciclo de vida do produto,
sendo utilizada para isso a espiral do desenvolvimento, apresentada na
figura 16, e com base nela, definiu-se uma classificação de clientes.
Figura 16 – Espiral do desenvolvimento.
Fonte: Atributos típicos de produtos industriais (Fonseca 2000).
a) Clientes internos – fazem parte do setor produtivo. São eles que
manusearão o protótipo (produto). Participam os operadores,
supervisores, e lideres de seção. Inclui também a equipe do
projeto.
b) Clientes intermediários – fazem parte as empresas onde poderá
ser utilizado o dispositivo elaborado.
c) Clientes externos – fazem parte deste grupo, supervisores e
técnicos em manutenção.
Após as definições dos clientes do projeto, o próximo passo é
definir as suas necessidades que foram diagnosticadas através de
entrevistas, e que, segundo (MASTRONARDI, 2001) precisaríamos de
aproximadamente seis entrevistas com cada cliente classificado. Foi
então elaborado um guia de entrevistas (Apêndice 1) e dada total
53 liberdade aos entrevistados, que se sentiram a vontade para responder.
Com o guia pode-se também elaborar perguntas personalizadas.
Após realizar as entrevistas e com auxílio dos participantes do
projeto foi identificado às necessidades dos clientes.
Clientes selecionados para a pesquisa:
- Operadores
- Supervisores
- Líderes do setor
- Manutenção
- Coordenador impressão
- Coordenador tintas
- Coordenador manutenção
Através das respostas das entrevistas chegou-se às seguintes
necessidades apresentadas no quadro 6:
Quadro 6 – Necessidades dos clientes
ITEM NECESSIDADES
1 Protótipo fácil de operar
2 Que não faça barulho
3 Não deixe vazar tinta
4 Não precise limpar
5 Ser bonito e forte
6 Fácil de desmontar
7 Coloque solvente na tinta sem usar as mãos
8 Fácil manutenção
9 Baixo custo
10 Resista ao solvente
11 Que meça a viscosidade e corrija rápido
12 Que não atrapalhe no processo
13 Que não seja grande demais por causa do espaço da máquina
14 Que tenha peças das que sejam fáceis de comprar
3.1.3.1 Estabelecimento dos requisitos dos clientes
Requisitos dos clientes constam nas necessidades dos clientes,
escritas em linguagem de engenharia, de modo que compreendidas
claramente pela equipe do projeto. O quadro 7 apresenta os requisitos
dos clientes.
54
Quadro 7 – Requisitos dos clientes
Equipe manutenção Ser fácil de montar e desmontar
Coordenador
manutenção
Ter peças padronizadas
Ter peças nacionalizadas
Ter resistência à corrosão
Empresa Ter alto desempenho funcional
Coordenador
impressão
Ter preço baixo
Coordenador tintas Não ter contato com solventes para não expor
o operador
Ter segurança
Projetista e gerente
projetos
Ter um produto que elimina o serviço manual
do operador tornando-o automatizado
3.1.4 Requisitos do projeto
Requisitos de projeto são características técnicas-físicas
mensuráveis que o produto deve ter para satisfazer os requisitos dos
clientes (FONSECA, 2000). Foi adotado o seguinte procedimento para
obtê-los:
a) Confrontar os requisitos dos clientes com a classificação de
requisitos de projeto (FONSECA, 2000)
b) Verificar se os requisitos de projeto assim obtidos apresentam
propriedades consideradas desejáveis, conforme os critérios,
que são: validade, operacionalidade, concisão e praticidade.
Assim obteve-se uma lista de requisitos de projeto mostrados no
quadro 8.
55
Quadro 8 – Requisitos de projeto
Item Descrição geral Descrição determinada
1 Funcionar
automaticamente
Sistema com sensor que executa leituras e
fornece dados a um controlador.
2 Fácil operação Software que controla o sistema (definido
pelo cliente).
3 Interface simples IHM para parametrização de informações.
4 Fácil montagem
desmontagem
Componentes acessíveis, com válvulas
pneumáticas de fácil manutenção.
5 Peças padronizadas Definir padrões de peças, para
substituições, se necessárias.
6 Peças
nacionalizadas
Se possível manter o máximo possível de
peças nacionalizadas para evitar
problemas posteriores de compras de
peças (problemas de importação).
7 Resistência
corrosão
Material que resista ao ataque químico da
tinta evitando à corrosão
8 Desempenho
funcional
Atenda as necessidades propostas e que
não falhe.
9 Baixo custo Projetar um produto que atenda as
necessidades e não extrapole nos custos,
sendo competitivo.
10 Eliminar o serviço
manual
Sistema totalmente automatizado.
Os requisitos do projeto foram hierarquizados de forma que o
produto atenda as necessidades dos clientes, priorizando a que eles
consideram mais importante. Para isso foi utilizada como ferramenta a
matriz da Casa da Qualidade QFD (Quality Function Deploypment) .
Os requisitos de projeto então, foram hierarquizados com
auxilio da ferramenta QFD, seguindo-se a seqüência de passos proposta
por BACK e FORCELLINI (2003).
O confrontamento dos requisitos de projeto com as
necessidades dos clientes que determinaram a seqüência de importâncias
no projeto e com esta ferramenta consegue-se determinar a ordem de
atuações no projeto. Viu-se que o item funcionar automaticamente teve
um grau de importancia maior que os demais, e busca-se então um
comprometimento mais cuidadoso com este requisito, fácil operação foi
56
outra descrição geral que pelo grau de importancia teve maior
comprometimento da equipe do projeto, pelo desenvolvimento do
software, e assim por diante os requisitos foram avaliados e analisados
seu grau de comprometimento. O Apêndice 2 apresenta a casa da
qualidade desenvolvida com os resultados obtidos
3.1.5 Especificações do projeto
As especificações do projeto são constituídas pelos requisitos
do projeto hierarquizados com seus valores metas, formas de avaliação
destes valores e aspectos indesejáveis (FONSECA, 2000). O quadro 9
apresentado é a saída da fase do projeto informacional e serve como
informação básica e referencial para as seguintes fases do projeto.
Quadro 9 – Saída da fase do projeto informacional
Requisito Valor meta Forma de
avaliação
Aspectos indesejáveis
Medir a
viscosidade
da tinta
automaticam
ente
Tabela de
viscosidade
tintas
Medição da
viscosidade
através do
tempo
Não conseguir
mensurar com exatidão
Software de
interação
com sistema e
IHM
Interação
completa
Testes Incompatibilidade
Manutenção < 2/ano Testes Muitas quebras
Padronização Normalizar Implantação Não existirem normas
Nacionalizaç
ão
Totalmente
nacional
Verificação Não conseguir
produtos nacionais
Programação
da IHM
100%
funcional
Testes Falhas nos programas
Resistência à
corrosão
> 3 anos Testes Custo do material pode
aumentar o custo total
do projeto
Baixo custo < Produtos similares
Avaliação de mercado
Custo maior que o de mercado
Eliminar
serviço
manual
100% Teste Necessidade de
alguma operação
manual
57
3.1.6 Considerações
Pode-se observar nesta primeira fase do projeto que as
especificações feitas pelos clientes selecionados proporcionam um
grande número de informações que serão de suma importância para a
realização do projeto, também vale destacar que as técnicas adotadas
conseguem transmitir razoavelmente os desejos do cliente em relação ao
produto.
3.2 PROJETO CONCEITUAL
Esta fase destina-se à procura da concepção do produto. Para
atingir este propósito são realizadas diferentes tarefas que buscam, em
um primeiro momento, estabelecer a estrutura funcional do produto. São
atividades que envolvem a definição da função global e suas subfunções
determinadas as funções do produto. A seguir parte-se para a procura e
seleção de princípios de solução que atendam de forma mais adequada
as subfunções do produto. Para a seleção da concepção faz-se uma
análise coorporativa entre as alternativas considerando as especificações
de projeto, custos, riscos, etc. (BACK et al, 2008).
O primeiro passo desta fase é estabelecer a estrutura
funcional do produto. Estabelecendo-se as funções do produto buscam-
se combinações de princípios de solução para estas funções. Obtêm-se,
assim variantes de concepções que ao final, são avaliadas segundo
critérios técnicos e econômicos.
3.2.1 Estrutura funcional
O grande objetivo ao estabelecer a estrutura funcional do
produto é para auxiliar na busca por princípios de solução, pois estes são
determinantes para atender as funções desejadas do produto.
A função global foi determinada a partir da análise das
especificações do projeto. Foi escolhido o tema medir e controlar a
viscosidade da tinta e a partir dele foram criados subfunções parciais, na
busca de uma estrutura funcional. Para a elaboração da mesma foram feitas várias visitas à produção da empresa PLASC
® acompanhando as
tarefas de medição e controle da viscosidade.
A figura 17 mostra a função global medir e controlar a
viscosidade da tinta. As figuras 18, 19, 20 e 21 apresentam as
58
subfunções transportar a tinta, medir a viscosidade da tinta,
supervisionar a medição da viscosidade e controlar a viscosidade.
Medir e controlar a viscosidade
da tinta
Medir a viscosidade
da tinta
Transportar a tinta
Supervisionar a medição da viscosidade
Controlar a viscosidade
Figura 17 – Função global: Medir e controlar a viscosidade da tinta.
Com a função global procura-se determinar um conceito e
avaliar o sentido da função, vê-se que com a função medir e controlar
pode-se definir as subfunções e determinar o conceito do projeto.
Figura 18 – Subfunção: Transportar a tinta.
59 Com a subfunção transportar a tinta, foram procuradas as
alternativas possíveis, como transporte através de bombeamento ou
gravidade e componentes viáveis.
Figura 19 – Subfunção: Medir a viscosidade.
As opções na subfunção medir a viscosidade foram: tempo de
escoamento, vibração, peso e emissão de luz, e através delas chegou-se
a um grande número de componentes alternativos.
Supervisionar a medição da viscosidade
Visualmente
Olhando no reservatório o tempo
no cronômetro
SupervisoriosSoftware
Sinal CLP
CLP
Sinal Sensor
Receber Sinal
Amplificar Sinal
Transmitir Sinal
Executar programa definido pelos sinais transmitidos
Figura 20 – Subfunção: Supervisionar a medição da viscosidade.
60
Nesta subfunção verificou-se que as maneiras possíveis de
supervisionar a medição da viscosidade pode ser através de
controladores, software ou visualmente com alternativas possíveis.
Figura
21 – Subfunção: Controlar a viscosidade.
Na subfunção controlar a viscosidade, foram verificadas
alternativas como adicionar solvente na tinta de maneira automática ou
mesmo manual ou ainda podendo apenas refrigerar a tinta para reduzir a
evaporação do solvente.
3.2.2 Pesquisa por princípios de solução
Os princípios de solução definidos nesta seção serão atribuídos
as funções da estrutura funcional e darão forma ao produto. Por isso é
fundamental a realização da pesquisa por meio de métodos criativos. É
importante que não se restrinjam apenas a soluções já conhecidas,
buscando alternativas em diferentes áreas do conhecimento.
Encontrados os princípios de solução, eles serão estruturados e
sistematizados.
Através da estrutura funcional chegou-se aos princípios de soluções e obteve-se após varias análises junto à equipe do projeto três
soluções possíveis.
61 3.2.3 Geração de concepções
Para que os modelos de principio de solução possam ser melhor
avaliadas na próxima etapa, eles devem evoluir para concepções. Assim
critérios relacionados a uso, aparência, produção, custos entre outros,
podem ser explicitados e levados em consideração na avaliação das
concepções. (BACK et-al, 2008)
Dentre alguns métodos pesquisados na literatura para obtenção
das variantes (PAHL e BEILZ, 1996, REIS 2003, MENEGATTI, 2003)
foram empregadas suposições simplificadas, desenhos em escalas
simplificadas de possíveis leiautes formas, requisitos especiais,
compatibilidade entre funções, etc.
No entanto, a evolução que ocorre é limitada, já que se trata de
uma representação ainda conceitual do sistema. Assim, detalhes de
componentes, não foram representados, pois ainda não são fundamentais
neste nível do desenvolvimento (MENEGATTI, 2004).
Uma concepção deve ser suficientemente detalhada para que
seja possível avaliar custos, pesos e dimensões totais aproximadas. Um
esquema deve ser relativamente explícito em relação a fatores ou
componentes especiais mas não necessita ter muitos detalhes com
relação a pratica estabelecida. (FRENCH, 1985, Apud FERREIRA,
1997)
Foram, então, geradas três (3) concepções para o projeto.
3.2.3.1 Concepção 1
Através de uma bomba pneumática (1) a tinta é transportada de
um reservatório (2) até a máquina (3) e também a um dispositivo de
medição (4). Duas válvulas elétricas (5) (6) direcionarão o fluxo da
tinta que estarão sendo controladas por um micro controlador (7). A
tinta é direcionada ao dispositivo de medição, que consiste de um copo
Zahn monitorado por dois sensores (8) (9). Um dos sensores (9) define o
nível cheio do copo e envia um sinal elétrico ao microcontrolador que
fecha a válvula elétrica(6) impedindo a entrada de mais tinta. O outro
sensor (8) contará o tempo de esvaziamento do copo, enviando um sinal
ao microcontrolador ao término da tinta. No processo haverá ainda outro circuito monitorado também pelo microcontrolador onde uma válvula
elétrica (10) abre o circuito de uma bomba pneumática (11) que enviará
a quantidade de solvente de acordo com a medição realizada e a
viscosidade desejada. A figura 22 mostra a concepção 1 gerada.
62
Figura 22 - Concepção 1.
3.2.3.2 Concepção 2
A tinta é transportada de um reservatório (1) de tinta por uma
bomba elétrica (2) com tubos de aço inoxidável e enviada para um
dispositivo de medição (3) que consiste de um tubo de vidro com dois
sensores ópticos (4) (5). Dentro do tubo de vidro há uma esfera (6) que
estará na parte superior, e quando as válvulas (7) (8) de controle de
fluxo fecharem, a esfera tende a cair .O tempo percorrido pela esfera
define a viscosidade da tinta. As válvulas e os sensores estarão sendo
controlados por um CLP (9) e um software . De acordo com a
viscosidade medida adiciona-se solvente ao reservatório (2)
manualmente. A figura 23 mostra a concepção 2 .
1 2
3
4
5
6
7
9
8
10
11
15
63
Figura 23 - Concepção 2.
3.2.3.3 Concepção 3
A tinta é transportada de um reservatório de tinta (1) por uma
bomba elétrica (2) e tubos de PVC a um dispositivo de medição (3). A
tinta será analisada por um sensor ultra-sônico (4) que enviará sinais ao
CLP (5) que estará em rede com o supervisório (6). O solvente é
adicionado de acordo com o programa do CLP e o supervisório, através
do controle de uma válvula elétrica e uma bomba elétrica (7) (8) . A
figura 24 mostra a concepção 3 gerada.
1
2
3
4
5
6
7
8 9
64
Figura 24 - Concepção 3.
3.2.4 Seleção das concepções
Para iniciar a escolha da concepção desejada deve ser feita uma
triagem das concepções geradas. O ponto de partida é o estabelecimento
de criterios ou limites que permitem distinguir as soluções uteis
daquelas que devem ser abandonadas. As informações das concepções
são geralmente abstratas e esquemáticas, assim, recomendam-se
critérios generalizados e qualitativos em menor número, para separar as
concepções viáveis das concepções enviáveis (BACK, 2008 ). O quadro
8 apresenta os critério especificos e generalizados para a seleção das
três concepções.
2 1
3
4
5 6
7
8
65
Quadro 8 – Critérios específicos e generalizados para avaliação das
soluções das concepções
Nº Critérios
generalizados
típicos
Critérios específicos típicos Dimensões dos
critérios
específicos
1 Atendimento
a função
Tempo de resposta
Exatidão das medidas
Correção da leitura
Segundos
Segundos
Segundos
2 Tecnicamente
viável
Materiais disponíveis
Fabricação
Qualitativo
Qualitativo
3 Viabilidade
econômica
Custo produção
Retorno do investimento
R$
R$
4 Fácil
manutenção
Custo manutenção preventiva
Custo manutenção corretiva
R$
R$
5 Alta
confiabilidade
Probabilidade de sucesso
Taxa de falhas
Tempo médio de falhas
%
Horas
Minutos
6 Boa aparência Estrutura
Composição
Qualitativo
Qualitativo
7 Fácil uso Controles
Formas de leituras
Aprendizado fácil
Qualitativo
Qualitativo
Qualitativo
8 Apropriado ao
meio
ambiente
Mínimo de contaminação
Mínimo custo de reciclagem
Mínimo consumo de energia
Qualitativo
R$
R$
9 Segurança Atende as normas Qualitativo
3.2.4.1 Triagem das concepções ( método de pugh)
A triagem de soluções foi efetuada após determinada uma
concepção de referência e a comparação entre as outras. A escolha da
concepção de referência deve ser feita pela concepção onde há menores
dúvidas sobre o funcionamento dos principios de solução e há maior facilidade de variação de parâmetros construtivos e funcionais na fase
de construção de protótipos (REIS, 2003). A tabela 4 mostra a triagem
de soluções desenvolvida.
66
Tabela 4 - Triagem de soluções
Nº Critérios generalizados adotados Concepções alternativas
geradas
Sol. Ref.
1
Sol. 2 Sol. 3
1 Desempenho de função 0 0 0
2 Viabilidade econômica 0 - -
3 Fácil uso 0 - +
4 Alta confiabilidade 0 0 -
5 Fácil manutenção 0 - -
6 Boa aparência 0 - +
7 Segurança 0 0 -
8 Apropriado meio ambiente 0 0 0
9 Fabricação 0 - -
10 Reciclagem econômica 0 + +
Soma de (+) 0(0) 1(+) 3(+)
Soma de (-) 0(-) 5(-) 5(-)
Soma de (0) 10(0) 4(0) 2(0)
Resultado final (+) + (-) 0(+) 4(-) 2(-)
3.2.4.2 Análise da melhor solução
A equipe de projeto não deve considerar a concepção que
obteve a melhor pontuação como solução definitiva, mas validar e
comparar os resultados da valoração das melhores concepções e realizar
uma análise de sensibilidade (BACK, 2008). Foi então decidido que a
concepção 1 será a opção do projeto e nela serão desenvolvidos todos os
elementos do protótipo, pois além de ser a solução de melhor
desempenho na triagem de soluções foi também a solução que a equipe
do projeto achou mais viável para a construção do protótipo.
3.2.4.3 Considerações finais.
A fase do projeto conceitual é de extrema importância para
determinação da concepção, pois nesta etapa consegue-se uma melhor avaliação do projeto, buscando princípios de solução em diversas áreas
de conhecimento para atender às funções do produto. Conseguiu-se dar
forma ao dispositivo e avaliar com maior clareza a essência do protótipo
67 pretendido. A partir desta etapa pode-se definir os materiais utilizados,
protótipos necessários, bem como todo funcionamento do protótipo.
3.3 PROJETO PRELIMINAR
No projeto preliminar foram detalhadas as dimensões os
materiais, as peças e os esquemas da concepção escolhida na fase
anterior. Definiu-se um leiaute onde foram confeccionados os desenhos
e os esquemas para construção do protótipo. Para facilitar o
detalhamento do protótipo dividiu-se em módulos:
- Hidráulico.
- Eletropneumático.
- Elétro-eletrônico.
-Mecânico.
- Sofware de controle.
3.3.1 Módulo hidráulico
O módulo hidráulico tem a função de transportar e controlar o
envio de tinta e solvente para o dispositivo de medição. Foram
determinados alguns componentes, verificando-se a melhor relação de
custo-benefício, os quais são:
- Bomba de circulação
-Válvulas direcionais
-Filtros
-Mangueiras
-Válvula de retenção
-Válvula reguladora de fluxo.
A figura 25 mostra o esquema hidráulico desenvolvido e seus
componentes e nas seções seguintes descreve-se as partes principais
desse sistema.
68
Figura 25 – Esquema hidráulico de transporte de tinta e solvente.
3.3.1.1 Bomba de circulação
As bombas de circulação normalmente utilizadas são a bomba
centrífuga vertical com motor elétrico e a bomba pneumática. São
bombas de baixa pressão, nas quais o fluxo é controlado facilmente
mediante válvulas ou registros. Não deve haver rolamentos ou retentores
em contato com o líquido, pois os pigmentos causarão rápido desgaste.
Além disso, a tinta aderirá aos rolamentos emperrando-os. Uma
vantagem deste tipo de bomba é que ela permite desenvolver um fluxo
suficiente tanto para a circulação quanto para o condicionamento da
tinta.
A bomba de tinta deve funcionar entre 1750 a 3400 rpm, pois
nessa velocidade evita-se a superagitação da tinta, que causa problemas no processo. Para o desenvolvimento do protótipo utilizou-se duas
bombas pneumáticas, uma para circulação de tinta e outra para
circulação de solvente, modelo Ingersoll Rand®, conforme dados
técnicos mostrados no Apêndice 3.
3.3.1.2 Válvulas direcionais
69
Existem três tipos recomendados para controle de tintas e
solventes: de comporta, de borboleta e de constrição. As três asseguram
um fluxo direto, pouca restrição. As válvulas são responsáveis pelo
controle e monitoramento de fluxo e pressão hidráulica dentro do
sistema. Basicamente possuem 2 fases, a de abertura e a de fechamento.
A válvula utilizada no protótipo é da empresa Burkert Fluid Control
Systems®, modelo 2000 com acento inclinado, com controle por
válvula solenóide, de 3 posições e 2 vias, alimentado em 24V, conforme
mostra o Apêndice 4.
3.3.1.3 Filtros
Os filtros são instalados na descarga da bomba para que o fluido
esteja sempre limpo. Normalmente são de malha entrelaçada de aço
inoxidável, nos tamanhos de aberturas de malha 30, 60, 100 e 150. A
malha mais utilizada nos filtros das bombas de tinta na indústria grafica
é de malha 100, devido o seu entrelaçamento permitir uma boa
filtragem das impurezas do processo e permite também uma boa fluidez
da tinta. Malhas muito fechadas aumentam o tempo de paradas para
limpeza desnecessariamente. Utilizou-se para o projeto um filtro de
malha 100 instalado dentro do recipiente de tinta.
3.3.1.4 Mangueiras de transporte
O material da mangueira deve ser compatível com os solventes
utilizados. Para elaboração do protótipo utilizou-se uma mangueira
pneumática de diâmetro interno de 8 mm, compatível ao solvente e
tintas utilizadas.
3.3.1.5 Válvulas de retenção
As válvulas de retenção são utilizadas para evitar que ocorra
fluxo na direção oposta ao sentido desejado. Para o projeto serão usadas
duas válvulas conectadas às bombas pneumáticas.
3.3.1.6 Válvulas reguladoras de fluxo
As válvulas reguladoras de fluxo foram utilizadas com a
finalidade de regular o fluxo de entrada de tinta e solvente no protótipo.
70
3.3.2 Módulo eletropneumático
O módulo eletropneumático é responsável pelo controle dos
acionamentos das válvulas direcionais do circuito hidráulico, isto é, ao
acionarmos as eletroválvulas Y1 e Y2 , acionamos as válvulas
hidráulicas com comando pneumático. A figura 26 mostra o esquema
eletropneumático de comando da parte hidráulica, e é composto por:
- Unidade de acondicionamento de ar comprimido
- Válvulas pneumáticas de comando elétrico
- Conexões
- Mangueiras
Figura 26 - Circuito eletro-pneumático.
3.3.2.1 Unidade condicionadora de ar comprimido
A unidade condicionadora de ar tem a função de lubrificar,
filtrar e regular a pressão do ar no processo. É composto de um manômetro de 0,5 a 8,5 bar e um regulador de pressão e um sistema de
lubrificação, conforme está detalhado no Apêndice 5.
71
3.3.2.2 Válvulas pneumáticas
São responsáveis pelo controle das válvulas direcionais no
circuito hidráulico. O modelo utilizado foi a válvula simples solenóide,
de 3/2 vias, alimentado em 24V, conforme detalha o Apêndice 6.
3.3.3 Módulo eletro-eletrônico
O módulo elétro-eletrônico é responsavel pela alimentação
elétrica do protótipo, aquisição dos sinais, controle e interação humano-
máquina. A figura 27 mostra os componentes do sistema elétrico junto
com o sistema eletrônico.
Figura 27 – Diagrama de blocos da parte eletro-eletrônica.
Verifica-se que alimentação elétrica é 220V com um disjuntor de segurança, que alimenta um circuito elétrico (fonte) para gerar a
tensão de 24V mostrado no Apêndice 07. Essa tensão alimenta os
sensores, as eletroválvulas e a placa de conversão das tensões dos sinais
mostrada no apêndice 08. Esta placa eletrônica converte os sinais das
72
válvulas e dos sensores, transformando-os de 24V para 5V e de 5V para
24V, quando necessário, isola os sinais por meio de fotoacopladores e
também amplifica a corrente vinda do microcontrolador. Usa-se um
microcontrolador de núcleo 8051® para o controle do processo, modelo
AT89S8263, fabricado pela empresa ATMEL®. Um visualizador de
informações por caracteres (mais conhecido como LCD - Liquid Crystal Display) e um teclado são os meios utilizados para realizar a interação
entre o operador e a máquina.
O módulo elétro-eletrônico é, portanto, composto por:
- painel elétrico
- fonte de alimentação de 24V
- disjuntor
- sensores ópticos
- microcontrolador
- display de LCD
- teclado
3.3.3.1 Sensores ópticos
Para detectar quando a tinta enche o copo Zahn e quando
esvazia, utilizou-se de dois sensores de presença ópticos, com saida
NPN, alimentados em 24V. Esses sensores funcionam por reflexão
difusa da luz, isto é, tem um fotodiodo que emite luz e quando essa luz
retorna por reflexão no objeto que se quer detectar, sensibiliza uma
fototransitor, que é então acionado. Na sua saída um sinal muda de
estado lógico 1 para estado lógico 0 na presença de um objeto, dentro
dos limites de proximidade. O modelo escolhido foi o FD-FX3, com
amplificador eletrônico acoplado e condução da luz por fibra óptica. A
posição do sensor foi tal que permitiu um ajuste da posição do sensor
para que detectasse o momento exato em que o copo está cheio e quando
o copo está vazio.Nos Apêndices 09 e 10 tem-se os dados técnicos do
fotosensor escolhido.
73 3.3.3.2 Circuito eletrônico de comando e controle
A figura 28 mostra o circuito eletrônico de controle, composto
por um microcontrolador, display LCD e teclado, dos circuitos de
amplificação de sinais que vem dos sensores ópticos e circuito de
amplificação de sinais de comando, tanto da eletroválvula que controla a
passagem da tinta, quanto da eletroválvula que controla a passagem do
solvente.
Figura 28 - Esquema de ligações do circuito eletrônico.
74
O principal cuidado neste projeto é no desenvolvimento do
circuito de amplificação e isolação de sinais elétricos, convertendo
tensões diferentes, amplificando a corrente e protegendo o componente
mais sensível a ruídos (no caso o microcontrolador). Os Apêndices de 7
a 13 mostram os componentes deste módulo.
3.3.4 Módulo mecânico.
Desenvolveu-se um receptáculo mecânico onde o copo de medição
será posicionado de tal maneira que fique simples de colocar e pôr
sempre na mesma posição e onde serão também montados os sensores
ópticos, bem como a entrada para a tinta. O material utizado no
receptáculo foi o alumínio, para manter maior qualidade e facilidade de
limpeza. Este dispositivo mecânico tem a função de dar exatidão nas
posições dos sensores e na colocação (posição) do copo. Deve, também,
facilitar o operação da entrada e saida do copo. As figuras 29 e 30
apresentam o detalhamento técnico.
Figura 29 – Desenho técnico do dispositivo mecânico.
75
Figura 30 – Imagem do dispositivo mecânico.
3.3.5 Software de controle
O software desenvolvido (em linguagem de programação “C”)
tem a função de automatizar o processo de medição e controle, e ainda
interagir os resultados com o usuário do sistema por meio do display de
LCD.
3.3.5.1 Sistema de Controle Proposto
O objetivo do controle é manter o tempo de escoamento dentro
dos limites impostos pelo Controle de Qualidade da indústria. Portanto,
o que se deseja é manter a viscosidade dentro da faixa média, entre os limites superior e inferior, por adição de solvente. A viscosidade
diminui por adição de um pouco de solvente na tinta, e aumenta
naturalmente, pelo processo de evaporação. Esse processo de
evaporação depende da temperatura ambiente e da quantidade de
solvente na tinta, além do volume do reservatório (área de contato com o
76
ambiente). Se a viscosidade exceder o valor médio, é, então, injetado
solvente trazendo a viscosidade para dentro da faixa. A figura 31 mostra
o comportamento esperado do controle. A cada injeção de solvente,
e dado um tempo de espera de aproximadamente 1 minuto, agitando a
tinta para a completa homogeneização do solvente com a tinta.
Figura 31 - comportamento do controle da viscosidade relativa
O tempo de adição de solvente serve como variável de controle
indireta da viscosidade. No entanto, a curva de adição de solvente
depende fortemente do volume do recipiente, da temperatura do
ambiente e do tempo entre medições (por causa da evaporação). A
Figura 32 mostra o comportamento qualitativo da viscosidade relativa
em função do tempo de injeção de solvente, mostrando que, quanto
maior a viscosidade, maior é a quantidade de solvente que tem-se que
injetar.
77
Figura 32 - Comportamento esperado da viscosidade em função do
tempo de injeção de solvente.
A estratégia então foi adequar o tempo de injeção de solvente
através de uma proporcionalidade: quanto maior a viscosidade, maior o
tempo de injeção de solvente. O tempo foi determinado empiricamente,
e ajustado para o experimento. O valor encontrado foi em função do
volume de tintas do reservatório, da abertura da válvula que controla o
fluxo de solvente e o módulo do erro entre o valor medido e o valor
desejado (em segundos), dado pela equação 7:
(7)
Onde:
L : volume do reservatório (L).
x : a diferença em módulo entre o tempo medido menos o
tempo médio.
y : tempo necessário para a adição de solvente (em segundos).
Como não se tem a injeção de tinta para aumentar a
viscosidade, toda vez que a viscosidade está abaixo da linha média o
controle não atua
3.3.5.2 Software desenvolvido
O fluxograma mostrado na figura 34 apresenta o funcionamento
completo do sistema. Primeiro é feita a configuração do sistema
reconhecendo os principais componentes presentes e configurando
valores de entrada do usuário. Em seguida é dado algum tempo para
78
entrar no modo automático. Se nesse tempo o usuário apertar o botão de
medição manual, o processo opera manualmente, caso contrário o
processo é feito automaticamente, de tempos em tempos. A medição é
efetuada e baseado no tempo de escoamento sabe-se a viscosidade está
alta, baixa ou dentro dos limites especificados. É aberta a válvula
elétrica que permite o escoamento do solvente para dentro do recipiente
de tintas por um tempo pré-determinado. A homogeneização é
constante, e após um tempo de espera é refeito o processo de medição e
adição de solvente (caso necessário). Este processo se repete mantendo a
viscosidade dentro do padrão desejado na etapa de configuração.
Na figura 36 mostra-se o fluxograma da etapa de configuração
de dados de entrada pelo usuário. O usuário pode navegar usando o
teclado e o display LCD para entrar com os seguintes valores: valor de
referência (viscosidade desejada), a viscosidade máxima e viscosidade
mínima. O controle procura manter a viscosidade dentro da faixa
especificada. A viscosidade não é assumida como um valor absoluto,
mas sim como um valor de tempo equivalente, baseado nas
especificações do fabricante do copo Zahn.
A Figura 35 mostra o fluxograma de uma das funções
principais: a medição do tempo de esvaziamento do copo Zahn. Na
figura 33 mostra-se esquematicamente que o tempo de escoamento é
computado entre a ativação do sensor ótico superior e a desativação do
sensor óptico inferior.
O programa zera a variável que armazena o tempo de medida, e
escreve no display “adicionando tinta” e abre a válvula para adicionar
tinta no dispositivo. Quando o copo estiver cheio (detectado pelo sensor
fotoelétrico superior) fecha-se a válvula que controla a entrada de tinta
no copo Zahn e escreve no display “medindo”. Ao mesmo tempo
dispara-se um temporizador de 16 bits interno, com uma resolução de 1
µs, ou seja, a cada microsegundo o contador incrementa a variável de
contagem. Quando o copo Zahn esvaziar completamente (a primeira
gotícula interrompe o fluxo e gera um sinal que interrompe o
processador) o programa pára a contagem e armazena o valor contado
na variável interna que armazena o tempo total de escoamento da tinta
no copo Zahn.
Finalmente, na figura 37, mostra-se a função de controle
realizado pelo programa. Com o valor medido, o software avalia o valor
de referência e a faixa de medição com o valor medido previamente. Se
o tempo de escoamento da ultima medição for menor que o valor
79 mínimo, escreve no display “pouco viscoso”. Nesse caso, não há nada a
fazer, porque não é possível, nesse sistema, adicionar tinta para
aumentar a viscosidade. No entanto, se o tempo de escoamento da tinta
medido for maior que o valor máximo, isso indica a necessidade de se
adicionar solvente.
Microcontrolador
copo Zhan
EletroválvulaSensorSuperior
Sensor Inferior
Sensor Inferior
t(s)
t(s)
t(s)
Sensor Superior
Comando da eletroválvulade tinta
Tempo de
escoamento
Figura 33 - Funcionamento do sistema de medição do tempo de
escoamento.
80
Chegou no tempo para
medir
Configuração
Medir Tempo
Esvaziar Copo
Comparar tempo e
controlar
quantidade de
solvente
Apertado Botão
Confirma
Inicia Programa
Escreve no LCD o
Valor da medida
Escreve no LCD a
medida como “Ultima
medida” e o resultado
da comparação
Não
Sim
Sim
Não
Dispara
temporizador
medição AUTO
Tempo da
medida = 0
Armazena o valor
do tempo na
variável tempo da
medida
Fim da medição
Não
Início da Medição
Zera variavel que
armazena o tempo
da medida
Escreve no LCD “
ADICIONANDO
TINTA”
Abre válvula de
tinta
Sensor copo
cheio = 1
Não
Inicia a contagem
de tempo
Fecha válvula de
tinta
Escreve no LCD “
MEDINDO”
Sensor copo
vazio = 1
Não
Sim
Para contagem do
tempo
Sim
Sim
Figura 34 – Fluxograma principal.
Figura 35 – Fluxograma da
função “medir.”
81
Figura 36 - Fluxograma função configuração.
82
Tempo p/ Muito
Solvente = Valor
Referencia –
Faixa de Medição
Tempo p/ Pouco
Solvente = Valor
Referencia +
Faixa de Medição
Tempo da medida <
Tempo p/ Muito Solvente
Tempo da medida > Tempo
p/ Pouco Solvente
Conta tempo, se tempo = a
Tempo de Adicionar Solvente
Não
Sim
Início da Comparação e
Controle
Sim
Escreve no LCD “POUCO
VISCOSO”
Escreve no LCD “MUITO
VISCOSO”
Escreve no LCD
“ADICIONANDO
SOLVENTE”
Abre válvula de solvente
Fecha válvula de solvente
Escreve no LCD
“SOLVENTE
ADICIONADO”
Escreve no LCD “TINTA
NO PADRÃO”
Fim da Comparação e
Controle
Fim da Comparação e
Controle
Fim da Comparação e
Controle
Tempo Adicionar Solvente
= L(variável relacionada
ao tamanho do
reservatório) * diferença
do tempo medida pelo
tempo p/ Pouco Solvente
Sim
Não Não
Tempo da medida estiver entre
Tempo p/ Pouco Solvente e
Tempo p/ Muito Solvente
Figura 37 - Fluxograma função comparação e controle.
83 3.3.6 Conclusão
Neste capítulo foi descrito o projeto das principais partes que
compõem o protótipo, detalhando-o em módulos, facilitando a futura
integração e contrução do mesmo. A determinação dos componentes
leva em conta desde custos de materiais, funções dos componentes e
problemas que possam ocorrer. Esta fase é a que despende maior estudo
do desenvolvimento do projeto, mas através de ferramentas, métodos,
conceitos, procedimentos e informações aplicáveis foi possivel a
procura, criação, avaliação de todos os componentos do protótipo.
84
4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Com a conclusão da fase de projeto preliminar inicia-se a fase
de construção e montagem do protótipo.
De acordo com Ulrich e Eppinger (1995), um protótipo é uma
aproximação do produto ao longo de uma ou mais dimensões de
interesse. Alguns autores classificam protótipo de acordo com os
objetivos que se buscam com a construção do mesmo. Segundo Reis
(2003), quanto ao grau de realização física, há o prototipo físico, ou
seja, artefato tangível criado para se aproximarem das características do
produto; e o protótipo analítico, que representa o produto de forma não
tangível, muitas vezes matematicamente. Quanto ao grau de
abrangência, há o prototipo compreensivo que representa todas as
características do produto e o prototipo focado, que representa apenas
um ou poucos atributos do produto. Visando atender os objetivos
propostos optou-se pela construção de um protótipo fisico-
compreensivo.
O primeiro passo para a construção do protótipo foi a compra
dos materiais. O apêndice 14 apresenta a lista dos materiais utilizados
juntamente com os custos.
4.1 FUNCIONAMENTO DO PROTÓTIPO
O método de medição consiste, em acionar uma eletroválvula que
permite que uma bomba de tinta pneumática encha automaticamente um
copo do tipo Zahn, sensoreado por dois sensores de nível: um superior e
outro inferior. Quando o sensor superior detecta que o copo está cheio,
fecha a abertura de entrada de tinta, e dispara um temporizador interno
ao microcontrolador utilizado. Quando ocorre a primeira gota
(escoamento completo da tinta), dispara uma interrupção do
temporizador e é calculada a medida da viscosidade relativa, baseado no
tempo que leva para escoar a tinta no copo. Com a medida realizada e
apresentada no LCD, o controlador avalia se a medida realizada está
compatível com um valor de referencia configurada. Se a medida da
leitura realizada estiver menor que a configurada, escreve no LCD
“pouco viscoso”, ou seja, tem muito solvente na tinta. Se a medida da
leitura realizada estiver maior que a configurada escreve no LCD “muito
viscoso” e inicia a correção. Se a medida da leitura realizada estiver
dentro da medida e faixa configurada escreve no LCD “medida no
85 padrão,”a figura 38 amostra o diagrama de blocos do funcionamento do
protótipo.
Figura 38 – Diagrama de blocos do funcionamento do protótipo.
4.2 REALIZAÇÃO DO PROTÓTIPO
O protótipo completo é visto na figura 39, onde se identificam-
se os componentes principais: o receptáculo mecânico com o copo Zahn,
os sensores ópticos no receptáculo mecânico, as duas bombas de vácuo,
as eletroválvulas e o gabinete elétro-eletrônico de controle, contendo um
display LCD e um teclado externo.
86
Figura 39 - Foto protótipo desenvolvido.
Internamente, no gabinete, vê-se na figura 40 os circuitos eletro-
eletrônicos que comandam o sistema para um correto funcionamento e
na figura 41 mostra uma foto do display LCD mostrando informações ao
usuário.
Figura 40 - parte interna do painel de controle.
87
Figura 41 - Foto do Display mostrando informações do processo
A figura 42 mostra o copo Zahn sendo colocando no
receptáculo mecânico, e a posição dos sensores ópticos.
Figura 42 - Foto do Copo Zhan e do receptáculo.
4.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO
A Figura 43 mostra o sinais para o microcontrolador, relativos à
medição do tempo de escoamento. A forma de onda 1 indica o momento
em que o sensor superior foi acionado, indicando copo cheio. Apesar de
ter várias transições seguidas, somente o primeiro sinal é que realmente
importa, pois o microcontrolador ignora, por software, as demais
interrupções. A mesma coisa acontece no sinal vindo do sensor inferior,
que indica o esvaziamento do copo. Observe que gerou-se um segundo
pulso no sensor inferior indicando a passagem de uma gota. O
temporizador pára exatamente na primeira borda de descida do sinal 2.
88
Figura 43 - Curva 1: sensor superior; Curva 2: sensor inferior.
A figura 44 mostra o tempo total de enchimento e esvaziamento
do copo Zhan, que nesse caso foi de aproximadamente 50 s. Da mesma
forma observe que, apesar de ter muito ruido, o primeira transição por
borda é a que é realmente importa. As demais são ignoradas.
Figura 44 - Inicio e fim do processo de medição.
4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.
Neste capítulo foram apresentadas algumas fotos do protótipo
desenvolvido e o seu funcionamento detalhado, por meio de aquisições
de sinais. Após montagem do conjunto, foram realizados testes de
software, ajustes de sensores, tanto de posicionamento quanto de valores
89 dos sinais, análise de funcionamento dos comandos das bombas, do
teclado e do display LCD. Todos esses componentes funcionaram
satisfatoriamente, exigindo um esforço na parte de ajustes, para deixar o
sistema funcionando adequadamente.
Com o prótótipo testado e ajustado, partiu-se para a fase de
testes com tinta e avaliação de resultados, mostrados no capítulo 5.
90
5 TESTES DO PROTÓTIPO E AVALIAÇÃO DE
RESULTADOS
Com a montagem do protótipo foram realizados nos laboratórios
vários testes com o objetivo principal de avaliar erros e incertezas do
dispositivo de medição, buscando sua validação.
A variável tempo foi medida por meio de um temporizador interno
ao microcontrolador que opera com uma frequencia de 11,0592 MHz
vinda de um cristal de quartzo. Essa frequencia, dividida por doze, é a
base de tempo do temporizador, portanto, com um tick de 1,0856 µs.
Visando atender imediatamente as interrupções geradas pelso sensores,
foi escolhido operar o temporizador no modo em que o inicio e o fim do
temporizador se dá por um sinal de hardware (e não por software),
garantindo uma maior rapidez na partida e na parada do temporizador,
melhorando a exatidão.
Operando desse modo e colocando a interrupção do temporizador
como a de mais alta prioridade, o tempo máximo de atendimento a
interrupções é de 4 pulsos de clock. Como são duas interrupções (uma
do sensor superior e outra do sensor inferior), temos um erro máximo de
8 pulsos de clock, portanto, de 72 ns, que é o tempo máximo para
atender duas interrupções por hardware. Além disso, considerando que o
relógio interno pode ser parado ou partido com um erro de um tick,
combinando as incertezas, temos uma incerteza muito próxima do valor
do tick, ou seja, ± 1,0856us.
Considera-se, portanto, para fins de controle e de calibração, que o
erro do temporizador é desprezivel, já que optou-se por trabalhar com
uma resolução de duas casas decimais na medida do tempo (na faixa de
centésimos de segundo), pois as mesmas atendem às necessidades de
projeto.
5.1 TESTES NO PROTÓTIPO CALIBRAÇÃO
Para realizar os testes no protótipo foi necessária fazer a calibração
do dispositivo de medição para depois realizar testes com tinta e
solvente.
91
5.1.1 Calibração do sistema de medição
Sistemas de medição sempre apresentam erros. Em maior ou
menor grau, erros estarão sempre agindo sejam eles originados
internamente ou decorrentes da ação de várias influências. A forma
usual de caracterizar o desempenho metrológico de um sistema de
medição é pelo procedimento denominado calibração. São
procedimentos importantíssimos para manter a universalidade e
confiabilidade das medições efetuadas em qualquer momento ou local
(ALBERTAZZI e SOUSA, 2008).
A calibração é o conjunto de operações que estabelece sob
condições específicas, a relação entre valores indicados por um
instrumento ou sistema de medição, ou valores representados por uma
medida materializada ou um material de referência e os valores
correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões
(ALBERTAZZI e SOUSA, 2008).
O objetivo da calibração é obter a incerteza de medição total,
além de posicionar corretamente (o melhor que se pode) os dispositivos
sensores.
Para a calibração é necessário conhecer os componentes e suas
incertezas:
- Foi utilizado um copo Zhan No. 2, marca Omicron código
:123 02.
- Foi utilizado um óleo com viscosidade conhecida (óleo para
calibração) como sendo o óleo mineral OP35 IPT80, certificado
n°1428-103.
- Foram identificadas as seguintes fontes de incerteza, segundo
o Apêndice 15:
a) A incerteza expandida da medição de viscosidade é de
0,32%;
b) A incerteza do óleo mineral conforme informação no
certificado n 1798-103 é 0,25%;
c) A incerteza total do copo e do óleo é de 0,40%;
d) Incertezas declaradas são baseadas em uma incerteza
padronizada combinada, multiplicada por um fator de abrangencia K=2 (para nível de confiança de aproximadamente de 95%) ( fonte Omicron).
No procedimento adotado pela empresa Omicrom é adicionado óleo
mineral (OP35 IPT 80) num reservatório e quando o mesmo atingir a
92
temperatura de 25°C, eleva-se o copo Zahn com uma alça e com auxílio
de um cronômetro verifica-se o tempo para o mesmo esvaziar. Com este
tempo em mãos compara-se o tempo de escoamento do óleo no copo
com a faixa de tempo estabelecido pelo fabricante do óleo, de acordo
com a tabela de dados no anexo 15.
Com base neste procedimento foi avaliado o sistema proposto, só
que fazendo a medição do tempo por meio do aparato. Para isso foram
realizadas 20 medições em laboratório, com temperatura controlada de
25±1°C, utilizando o óleo mineral OP35 IPT80, certificado n°1428-103,
que tem a densidade de 0,8656g/cm³, à 25°C. Utilizou-se o mesmo óleo
com que são calibrados os copos de escoamento modelo zahn n°2, que
de acordo com o certificado emitido pela empresa Omicron, a incerteza
expandida aumenta para 0,40% (com nivel de confiança de 95%). De
acordo com o fabricante do óleo mineral, com este óleo e o copo zahn
n°2, o tempo de escoamento esperado é de 35s mais a incerteza de
0,40%, resultado em 35,00 ± 0,14s.
Ajustou-se o protótipo para que os sensores detectassem quando o
copo estava completamente cheio, para reproduzir as mesmas condições
usadas na calibração do copo. Espera-se com este experimento ajustar a
distância dos sensores, o que foi feito iterativamente até que se
conseguisse tempos muito próximos do esperado. A tabela 5 apresenta
as indicações finais obtidas na calibração.
Tabela 5 – Indicações obtidas
PADRÃO 35
1 35,41
2 35,05
3 34,98
4 34,77
5 34,91
6 34,91
7 34,98
8 34,84
9 35,12
10 34,98
11 34,56
12 35,41
13 35,27
14 35,34
15 35,30
16 35,12
93
Tabela 5– Indicações obtidas
PADRÃO 35
17 35,27
18 35,22
19 34,91
20 35,34
MÉDIA 35,09
DESVIO 0,2337
A partir da média e do desvio-padrão experimental determinou-
se a tendência e a repetitividade do sistema nas condições testadas.
s 0,09 35,00 - 35,09 VVCMédiaTendência
Onde:
VVC = Valor Verdadeiro Convencional estabelecido pelo óleo
padrão
t = Coeficiente de Student para n-1 graus de liberdade
u = Incerteza padrão
Re = Repetitividade
Para a expressão da incerteza dos resultados das medições,
assumindo que a tendência não será corrigida na operação do sistema de
medição, e considerando que a repetitividade e a incerteza do óleo são
fontes de incerteza predominantes, estima-se a incerteza de medição da
forma:
)ReTendência( I22
PadrãoIMncerteza
s 0,65 )14,054,00,09( I 22 ncerteza
sut 54,0 )2337,032,2( Re
94
5.2 TESTES COMPORTAMENTO DO PROTÓTIPO
Após a calibração efetuada do protótipo, foram realizados testes
visando observar seu comportamentos em relação ao controle da
viscosidade.
Montou-se dois reservatórios, um para tinta e outro para
solvente, e realizou-se experimentos os quais serão posteriormente
apresentados com análises e gráficos correspondentes.
5.2.1 Verificação do controle automático da viscosidade
Adotou-se o valor de referência de 15s com uma tolerância de
±1s e observou-se, através de 10 leituras, o seu comportamento. Notou-
se que nas primeiras leituras a tolerância estava dentro dos limites e o
protótipo apenas realizou medidas. Mudou-se então o valor de
referência para 14±1s e o mesmo reagiu de forma eficiente corrigindo o
processo injetando solvente. O tempo de correção da viscosidade foi de
5 minutos. As tabelas 6 e 7 mostram as leituras para as referências de
15±1s e 14±1s respectivamente. As figuras 45 e 46 mostram os gráficos
com os limites e as leituras encontradas.
Tabela 6 – Valor de referência 15±1s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 14,58 Dentro dos limites
2 14,72 Dentro dos limites
3 14,58 Dentro dos limites
4 14,79 Dentro dos limites
5 14,93 Dentro dos limites
6 14,86 Dentro dos limites
7 14,79 Dentro dos limites
8 14,86 Dentro dos limites
9 14,86 Dentro dos limites
10 14,64 Dentro dos limites
95
Figura 45 – Referência em 15±1s.
Tabela 7 – Valor de referência 14 ±1s
º Medida Leituras(s) Condição
1 14,93 Adicionado Solvente
2 14,57 Adicionado Solvente
3 14,08 Adicionado Solvente
4 13,79 Dentro dos limites
5 13,80 Dentro dos limites
6 13,37 Dentro dos limites
7 13,99 Dentro dos limites
8 13,51 Dentro dos limites
9 13,72 Dentro dos limites
10 13,51 Dentro dos limites
11 13,44 Dentro dos limites
12 13,51 Dentro dos limites
13 13,58 Dentro dos limites
96
Figura 46 – Alteração da referência para 14±1s.
Observa-se que, mesmo estando o tempo de escoamento dentro
da faixa especificada, e portanto, aceitável, a correção se inicia assim
que o valor medido for maior que o valor de referencia (valor médio da
faixa). O objetivo é corrigir antes que ultrapasse o valor superior de
controle, evitando-se que fique, mesmo que momentaneamente, com a
viscosidade relativa acima do que se deseja. Além disso, a quantidade de
solvente deve ser ajustada de tal maneira que não ultrapassar o valor de
referencia mínimo.
5.2.2 Verificação do comportamento do protótipo ao ser ligado e
religado.
Neste experimento pretende-se, ao desligar o protótipo após ter feito
algumas medidas e religá-lo, verificar se o sistema não apresenta
alterações de valores na medição. Iniciou-se com o valor de referência
de 15±1s e fêz-se as leituras do tempo. A primeira medida estava fora
do valor de referência e o protótipo corrigiu a viscosidade (adicionando
solvente) e manteve-se dentro dos limites até a oitava medida quando
foi adicionado solvente novamente, corrigindo a viscosidade. Partiu-se
então para uma nova configuração de 14±1s e o protótipo novamento
iniciou a correção da viscosidade adicionando solvente até atingir a
configuração. O tempo total de correção foi de 7 minutos.
Desligou-se, então, o protótipo por alguns minutos. Ligou-se o
mesmo e então configurou-se novamente na referência 14±1s. O
protótipo realizou as medidas e manteve dentro dos valores de referência desejado, mostrando que o fato de desligar o protótipo não
alterou sua funcionalidade. As tabelas 9, 10 e 11 mostram as medidas
para os valores de referência 15±1s, 14±1s e 14±1s com o protótipo
97 tendo sido religado. As figuras 47, 48 e 49 mostram os gráficos com os
limites e leituras encontradas.
Tabela 8 – Valor de referência 15±1s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 15,14 Adicionado Solvente
2 14,86 Dentro dos limites
3 14,93 Dentro dos limites
4 14,99 Dentro dos limites
5 14,93 Dentro dos limites
6 14,58 Dentro dos limites
7 14,79 Dentro dos limites
8 15,30 Adicionado Solvente
9 14,79 Dentro dos limites
10 14,83 Dentro dos limites
Figura 47 – Referência em 15±1s.
98
Tabela 9 - Valor de referência 14±1s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 15,43 Adicionado Solvente
2 14,72 Adicionado Solvente
3 15,07 Adicionado Solvente
4 14,08 Adicionado Solvente
5 14,15 Adicionado Solvente
6 13,58 Dentro dos limites
7 13,44 Dentro dos limites
8 13,51 Dentro dos limites
9 13,58 Dentro dos limites
10 13,44 Dentro dos limites
Figura 48 – Referência em 14±1s.
Tabela 10 - Valor de referência 14±1s após desligar protótipo
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 13,30 Dentro dos limites
2 13,37 Dentro dos limites
3 13,87 Dentro dos limites
4 13,80 Dentro dos limites
5 13,65 Dentro dos limites
6 13,69 Dentro dos limites
7 13,51 Dentro dos limites
8 13,44 Dentro dos limites
9 13,63 Dentro dos limites
10 13,53 Dentro dos limites
99
Figura 49 – Referência em 14±1s após desligar protótipo.
5.2.3 Verificação das tolerâncias do protótipo
Neste experimento verificou-se o comportamento do controle,
alterando a tolerância do valor de referência. O valor de referência foi
sempre o mesmo, 14s, com variação nas tolerâncias de 0,7s e 0,3s,
respectivamente. Observou-se que mesmo com a tolerâncias menores de
±0,7s e de ±0,3s o protótipo sempre inicia sua correção quando
ultrapassa o valor de referência (valor central). As tabelas 12 e 13
mostram as medidas, e as condições de operação para os valores de
referência 14,00±0,7s e 14,00±0,3s, respectivamente. As figuras 50 e 51
mostram os gráficos com os limites e leituras encontradas.
Tabela 11 – Valor de referência 14±0,7s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 14,36 Adicionado Solvente
2 14,01 Adicionado Solvente
3 13,94 Dentro dos limites
4 13,87 Dentro dos limites
5 13,79 Dentro dos limites
6 13,87 Dentro dos limites
7 14,36 Adicionado Solvente
8 13,94 Dentro dos limites
9 13,87 Dentro dos limites
10 13,83 Dentro dos limites
100
Figura 50 - Referência em 14±0,7.
Tabela 12 - Valor de referência 14±0,3s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 14,43 Adicionado Solvente
2 13,86 Dentro dos limites
3 13,72 Dentro dos limites
4 14,43 Adicionado Solvente
5 14,01 Adicionado Solvente
6 13,69 Dentro dos limites
7 14,44 Adicionado Solvente
8 13,94 Dentro dos limites
9 13,80 Dentro dos limites
10 13,79 Dentro dos limites
101
Figura 51 - Referência em 14±0,3s.
O resultado encontrado e mostrado pelas figuras 50 e 51 é
importante, pois mostra que o controle procura manter-se no valor de
referência, mesmo quando diminuímos as tolerâncias para valores bem
pequenos. Portanto, se o usuário quiser manter uma faixa mais estreita
de controle, mesmo que o setor de qualidade não o requeira, ele pode
fazê-lo para manter o mais constante possível o valor da viscosidade
relativa.
5.2.4 Verificação do tempo do controle automático da viscosidade
com variação do fluxo de solvente
Neste experimento realizou-se várias medidas, com uma leitura
de 14,86s. Mudou-se, então, o valor de referência para 14±1s e iniciou-
se novas medidas. No primeiro teste o protótipo novamente efetuou a
correção da viscosidade para o valor desejado, mas observou-se que
diminuindo-se o fluxo de solvente, maior é o tempo para correção. O
tempo para correção, nesse caso, foi de 11 minutos. No segundo teste
aumentou-se o fluxo da bomba pneumática. A correção foi mais rápida
levando em torno de 3 minutos. Observou-se então que é importante a
regulagem do fluxo da bomba pneumática para o controle da adição de
solvente, porém, se aumentarmos o fluxo, corre-se o risco de ultrapassar
o limite mínimo, mas obtém-se como vantagem uma correção mais
rápida. As tabelas 18 e 19 mostram as leituras e as condições para o
102
valores de referência de 14±1s nos dois testes, e as figuras 52 e 53
mostram os gráficos equivalentes.
Tabela 13 – Valor de referência 14±1s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 14,22 Adicionado Solvente
2 14,08 Adicionado Solvente
3 14,01 Adicionado Solvente
4 14,01 Adicionado Solvente
5 14,04 Adicionado Solvente
6 13,51 Dentro dos limites
7 14,08 Adicionado Solvente
8 13,86 Dentro dos limites
9 13,30 Dentro dos limites
10 13,93 Dentro dos limites
Figura 52 – Referência em 14±1s
Tabela 14 – Valor de referência 14±1s
Nº Medida Leituras(s) Condição
1 14,08 Adicionado Solvente
2 14,03 Adicionado Solvente
3 13,30 Dentro dos limites
4 13,36 Dentro dos limites
5 13,01 Dentro dos limites
6 13,30 Dentro dos limites
7 13,15 Dentro dos limites
8 12,94 Dentro dos limites
9 13,08 Dentro dos limites
10 13,23 Dentro dos limites
103
Figura 53 – Referência em 14±1s
5.3 CONCLUSÕES.
O protótipo apresentou bons resultados no processo de medição
da viscosidade automatizada. Por comparação pode-se verificar que a
viscosidade apresenta uma tendência de medir 0,09s a mais, e a
incerteza é de 0,65s, ou seja, se considerarmos o valor de 35s, representa
uma incerteza de 1,86%. Esses resultados são animadores e indicam que
o sistema de controle executa satisfatóriamente a medição e atende as
necessidades de controle da viscosidade de tintas.
Ao iniciar o processo de medição da viscosidade da tinta e a sua
correção automática, verificou-se que as leituras ficam próximas a sua
faixa central, como éra o desejado. Essa ação é intencional, pois a
quantidade de solvente adicionado automaticamente, através da
programação, é um valor minimo tal que mantenha o a viscosidade
excessiva sistema nessa condição. Prefere-se demorar um pouco mais
para diminuir a viscosidade do que ultrapassar o valor de referência
mínimo, uma vez que o sistema somente pode corrigir a viscosidade
excessiva e não a falta da viscosidade. Como o solvente é bastante
volátil, a tendência é que com o passar de alguns minutos, se houver
excesso de viscosidade, naturalmente o sistema se torna menos viscoso.
Observa-se também O tempo para correção de adição de
solvente é uma variavel que está associada ao volume do reservatório,
por isso, definiu-se uma constante no inicio do programa para permitir
diferentes volumes. que é muito importante a utilização de um
dispositivo de agitação (agitador) para misturar a tinta com o solvente,
visando não mascarar os resultados.
Por fim, verificou-se por observação que a temperatura é uma
variavel importante para o processo, pois quanto maior for a
104
temperatura, maior será a frequencia que o protótipo precisa executar
para manter a viscosidade dentro de uma faixa limite.
105
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES
As conclusões finais do trabalho serão apresentadas tendo em
vista o objetivo geral, os objetivos específicos determinados e o
atendimento das contribuições propostas. Finalizando seão feitas
algumas sugestões para trabalhos futuros.
6.1 ATENDIMENTO AO OBJETIVO GERAL
O objetivo geral foi atingido através de um sistema, na forma de
um protótipo, que realiza o controle automatizado da viscosidade das
tintas para a indústria de embalagens flexíveis. O protótipo
desenvolvido serviu para mostrar que a forma de medição e controle são
formas possíveis para realizar a tarefa proposta, contendo vantagens e
desvantagens.
Um dos principais objetivos foi retirar o ser humano dessa
tarefa insalubre, e isso se tornou possível com grau de automatização
satisfatória, tornando-o praticamente independente do operador.
6.2 ATENDIMENTO DOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos foram atendidos, especialmente pela
aplicação da Metodologia de Desenvolvimento de Produto utilizada que
ajudou a encontrar algumas soluções possiveis, além de direcionar o
desenvolvimento do produto. Durante a fase do projeto informacional
foi possível identificar os clientes envolvidos e sua reais necessidades
culminando nos requisitos de projeto. Na fase do projeto conceitual foi
gerado um conceito que atendeu a quase todas as especificações de
projeto, com destaque para alguns: possuir uma IHM (interface humano-
maquina) simples de operar, ser de fácil manutenção e operação, e que
realizásse, de maneira automática, o processo de controle da
viscosidade. No projeto preliminar foi possível conceber todo o
protótipo e, com isso, iniciar a contrução do protótipo.
106
6.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O protótipo desenvolvido é o resultado de uma pesquisa para
resolver um problema real, e representa um avanço no controle da
viscosidade da tinta durante o processo de impressão.
Assim, com o uso desta forma de controle obtém-se um impacto
positivo nas indústrias de impressão de embalagens, promovendo várias
melhorias. A principal delas é uma melhor condição de trabalho e de
saúde dos operadores de máquinas de impressão, especialmente por
reduzir drasticamente o contato com tintas e solventes.
Um outro fator importante é o impacto econômico e técnico.
Com o controle automatizado da adição de solvente por meio desse
sistema, obtém-se acertos de viscosidade mais exatos, reduzindo perdas
e eventuais erros e desvios no processo causados por operação humana
repetitiva. Isso, por sua vez, leva a uma melhor qualidade de impressão,
por manter-se a viscosidade dentro da faixa de operação. Espera-se, com
isso, diminuir o volume de solvente gasto no processo.
Do ponto de vista ambiental, obtém-se vantagens pois gera uma
diminuição de subprodutos gerados pela manipulação de solventes, tais
como estopas, panos, e luvas sujas com solvente, reduzindo os impactos
ambientais causados pela geração e tratamento destes residuos.
As necessidades dos clientes, requisitos dos clientes e requisitos
do projeto foram atendidos parcialmente, já que nesse caso se trata de
um protótipo, e não de um produto final. No entanto, alguns dos
requisitos de projeto já se mostram ser possíveis de serem atendidos:
a) A usabilidade (facilidade de uso) do protótipo é ainda objeto de
estudo posterior, mas o que foi desenvolvido até o momento
torna-o fácil de usar e entender as operações necessárias para
colocá-lo em funcionamento.
b) Uma interface foi desenvolvida, fornecendo informações do
andamento do processo por meio de um display LCD, e mostra
as informações mais relevantes durante a operação do protótipo.
A entrada de dados é por meio de botões que permitem ajuste
dos dados de entrada, tais como os valores de referência e a
faixa de valores limites para o controle da viscosidade.
107
c) A segurança é aumentada, pois há um menor contato com
substâncias inflamáveis em um ambiente explosivo.
d) A manutenção é boa, simples, pois usa-se peças de fácil
obtenção no mercado nacional, e a desmontagem e montagem é
simples.
Este protótipo apresentou um custo total de R$ 4.537,15
(detalhado no Apêndice 14), mostrando que existe uma boa viabilidade
econômica de ser realizado, pois protótipos que corrigem a viscosidade
de tintas existentes no mercado nacional são importados, e caros. A
economia gerada pelo controle automático, reduzindo custos de
solvente, de saúde e de meio-ambiente já justifica o investimento
realizado.
Em relação aos métodos para a busca de soluções utilizadas
neste projeto, destaca-se a metodologia empregada (PRODIP/UFSC)
como um método eficaz, que ajuda muito no sentido de direcionar o
projetista na direção certa, desenvolvendo um produto que atenda as
exigências do mercado sem esquecer as exigências técnicas.
As limitações observadas nesse protótipo são importantes, pois
ajudam a avaliar futuras alterações e estão detalhadas no item 6.4 como
sugestões de melhorias. No entanto destacam-se três problemas a serem
resolvidos:
a) A injeção de solvente e de tinta pelas bombas devem ter um
fluxo mais laminar, evitando turbulências durante o enchimento
do copo. A solução é utilizar-se de bombas elétricas e não de
bombas pneumáticas, porém estas são mais caras.
b) O controle de tempo de injeção de solvente é uma variável
critica e necessita atualmente de ajustes manuais na vazão. Isso
pode ser melhorado pela adoção de um volume fixo de
reservatório e de bombas elétricas que permitem a dosagem
correta de solvente.
c) Incluir a injeção de tinta mais viscosa na solução, de tal maneira
que seja possível controlar a viscosidade no sentido crescente,
permitindo controles mais clássicos, como o controle Proporcional-Integral-Derivativo.
Portanto, acredita-se que com a continuidade da pesquisa na
área, partindo do protótipo aqui apresentado, pode levar ao
108
desenvolvimento de um produto mais promissor, que possa realizar com
sucesso o controle da viscosidade de tinta das embalagens de filmes
flexíveis.
6.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para tornar este protótipo com melhores características, sugere-se as
seguintes melhorias futuras:
- Utilização de um CLP (Controlador Lógico-programável) para o
controle e sensoreamento do processo, permitindo maior integração com
plantas fabris do que atualmente se tem com o uso de
microcontroladores dedicados.
- Utilização de bombas elétricas anti-explosão para a adição de
solvente, pois isso permitirá um fluxo mais contínuo.
- Geração de relatórios das medições (impressos ou por arquivo).
- Realização de leituras intermediárias ao adicionar solvente visando
avaliar a completa mistura do solvente e a tinta.
- Medir a temperatura e corrigir a viscosidade em função da temperatura
medida, permitindo que o setor de qualidade somente defina a própria
viscosidade e não o tempo de escoamento.
- Limpeza automática do circuito de medição por injeção de solvente no
copo.
- Incluir um controlador do tipo Proporcional-Integral no lugar do
controle proposto, para aumentar a exatidão do sistema. Nesse caso teria
que se incluir também uma bomba que adicionasse tinta bem viscosa,
visando corrigir a baixa viscosidade.
109
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SESI. Manual de segurança e saúde no trabalho da indústria gráfica. São
Paulo,2006.
112
Apêndices
APÊNDICE 01- Entrevistas.
Guia de entrevista.
01- O que você acha do sistema atual de medição da viscosidade
utilizado na fabrica ?
02-Quais as principais dificuldades encontradas na medição da tinta ?
03-O que você gostaria que muda-se no sistema atual ?
04-Como você acha que devia ser o sistema de medição ?
05-Você considera o sistema atual de medição eficiente,por que ?
06-Faça uma lista das principais mudanças que deveria haver no método
atual ?
07-O que você acha de um método todo automático ?
08- Você saberia utilizar um método com sistema automático ?
09-Faça um resumo de como você gostaria de um novo método
automatico para a medição da tinta ?
113 APÊNDICE 02 – Casa da Qualidade.
114
APÊNDICE 03- Bomba de tinta.
115 APÊNDICE 04 - Válvula direcional.
APÊNDICE 05- Unidade condicionadora de ar.
APÊNDICE 06- Válvula pneumática 3/2 vias 24 vcc.
116
APÊNDICE 07 – Fonte elétrica.
APÊNDICE 08- Placa de conversão.
117 APÊNDICE 09 – Sensor: Fibra óptica.
118
APÊNDICE 10 - Sensor: Amplificador.
119 APÊNDICE 11 – Sensor: Cabo.
120
APÊNDICE 12 - Kit microcontrolador 8051.
APÊNDICE 13 – Display LCD.
121 APÊNDICE 14 - Lista de materiais utilizados com os custos.
Descrição Quanti
dade
Unid
ade
Preço
unitário
Preço
total
Bomba pneumática
Ingersollrand 666058-04
2 PC 900.00 1800.0
0
Válvulas globo bronze
Burkert
2 PC 340.00 680.00
Válvula retenção VNR ¼ 2 PC 25.00 50.00
Válvula reguladora de fluxo 2 PC 14.00 28.00
Filtro malha 100 2 PC 12.00 24.00
Unidade condicionadora de
ar
1 PC 230.00 230.00
Válvula solenóide 3/2vias 24
vcc
2 PC 123.00 246.00
Mangueiras pneumáticas 1/4 5 M .80 4.00
Mangueira pneumática 5/16 5 M .85 4.75
Conexões 1/4 (tê) 2 PC .20 .40
Conexões ¼ 10 PC .10 1.00
Conexões 5/16 10 PC .10 1.00
Fonte Weg 220/24vcc 1 PC 130.00 130.00
Quadro elétrico 1 PC 35.00 35.00
Sensores (amplificador,
sensor, fibra) conjunto.
2 Cj 480.00 960.00
Placa com microcontrolador 1 PC 60.00 60.00
Dispositivo de medição
alumínio
1 PC 180.00 180.00
Copo zahn 1 PC 103.00 103.00
Total 4.537,15
122
APÊNDICE 15 - Certificado estabelecido pelo fabricante.
123